黃艷麗, 鄧汝榮, 丘永亮, 林聚豪

(1. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,廣東 廣州 510550;2. 廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué),廣東 廣州 510550)

0 引言

當(dāng)前汽車輕量化和新能源電動汽車的發(fā)展方興未艾,特別是隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出,各個車企均已開始全面布局新能源汽車,如國內(nèi)某車企自2022年3月就已停止生產(chǎn)燃油車,成為全球首個停止燃油車生產(chǎn)的企業(yè)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。在新能源汽車中,電動機(jī)是其最核心部件或技術(shù)之一[1-2],其在工作時的轉(zhuǎn)速非常高而且啟動相當(dāng)頻繁,轉(zhuǎn)速都在1×104r·min-1以上,且不到1×103r·min-1就能產(chǎn)生最大的扭矩,而通常的燃油車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速只有6×103～9×103r·min-1,即便是渦輪式發(fā)動機(jī),其峰值扭矩來得最早,也至少需要1.3×103～1.5×103r·min-1。新能源電動汽車這樣的工況,會導(dǎo)致電動機(jī)內(nèi)的溫度很高。所以電動機(jī)外殼不能采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式而必須采用水冷式電機(jī)殼體,這種水冷式殼體同樣可用于礦山設(shè)備和大型計算機(jī)通信設(shè)備[3]。水冷式電動機(jī)外殼斷面形狀相比傳統(tǒng)風(fēng)冷式要復(fù)雜。但不論其斷面形狀如何,空腔多且最小與最大空腔相差懸殊是其結(jié)構(gòu)主要特征,最終都要通過擠壓模具在擠壓機(jī)來生產(chǎn),因此,模具是生產(chǎn)水冷式電動機(jī)殼的關(guān)鍵要素。經(jīng)對相關(guān)企業(yè)的調(diào)查及對新能源電動汽車的跟蹤了解,目前國產(chǎn)新能源電動汽車上用的水冷式電動機(jī)在工作時,噪音比較大且故障發(fā)生的頻率較高。究其原因是機(jī)殼的初始擠壓毛坯質(zhì)量較差,而造成這種質(zhì)量問題的根本原因是模具的問題。模具的質(zhì)量問題反映到水冷式電動機(jī)外殼主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面會導(dǎo)致水冷式電動機(jī)外殼產(chǎn)品的內(nèi)孔容易出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象,即型材斷面的形狀精度較低,并在長度方向上伴隨有較大扭擰度偏差;另一方面是容易出現(xiàn)內(nèi)孔偏心問題,即內(nèi)外圓的同軸度偏差大而造成產(chǎn)品壁厚嚴(yán)重不均,即型材斷面的尺寸精度低,壁厚最小處在使用過程中容易發(fā)生穿孔泄漏現(xiàn)象。因此,解決模具的質(zhì)量問題是解決水冷式電動機(jī)一系列問題的關(guān)鍵,而模具的關(guān)鍵又在于設(shè)計與制造[4]。本文通過企業(yè)的實(shí)際產(chǎn)品,對其目前使用的擠壓模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析,針對電動機(jī)殼型材的質(zhì)量問題,提出一種內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模的新型模具,可大大簡化加工、縮短加工周期,并大大減小制造中誤差積累,提高制造的精度,并可使擠壓過程中的金屬流動的狀況得到改善,能有效解決因機(jī)殼質(zhì)量問題而造成電動機(jī)在工作中的噪聲大、壽命短的問題,可供同行參考。

1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝分析

圖1 典型水冷式電機(jī)外殼斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical water cooled motor shell section

圖1所示是一款典型的大型水冷式電動機(jī)外殼鋁型材斷面,目前廣泛用于新能源電動汽車上。該型材的斷面面積為20 422.7 mm2,具有良好的散熱功能。該型材斷面的內(nèi)孔尺寸為Φ236 mm,外徑為Φ290 mm,型材斷面包括內(nèi)、外共計17個空腔,處于中心的內(nèi)腔是最大空腔即內(nèi)孔,是安裝電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子等部件的功能部位,此內(nèi)孔的尺寸精度及形狀精度,尤其是圓度和扭擰度要求高,按標(biāo)準(zhǔn)GB 5237超高精級執(zhí)行,是影響電機(jī)使用的關(guān)鍵尺寸;而在外側(cè)則有16個較小的空腔,是冷卻水流經(jīng)的槽孔,起冷卻作用,要求其內(nèi)、外兩側(cè),以及中心內(nèi)孔與各個小孔之間的壁厚均勻一致,若超出設(shè)計所允許的范圍,容易在水的壓力作用下發(fā)生穿孔泄漏現(xiàn)象。從型材的斷面可知,雖然型材具有對稱性,形狀也較簡單,但擠壓成型卻較復(fù)雜,其主要體現(xiàn)在中心最大內(nèi)孔與外側(cè)最小空腔的面積差異懸殊,中心內(nèi)孔的面積為43 743.5 mm2, 而16個外側(cè)小孔的單孔面積為314.3 mm2。

經(jīng)走訪相關(guān)企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該產(chǎn)品均被企業(yè)安排在能力為50～60 MN的擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓生產(chǎn)。目前企業(yè)在生產(chǎn)此型材存在的問題主要表現(xiàn)在兩個方面:一是模具的成本較大。原因是模具的加工難度大、周期長,這是緣于傳統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)使得模具的大、小17個模芯在加工過程中必須借助銅電極,利用電火花分粗、精兩次加工才能完成,銅電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電火花加工銅電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of copper electrode for EDM

另外,處于大模芯與16個小模芯之間的分流橋、引流孔及引流槽同樣都需要用電火花加工才能完成。這樣的電火花加工,一方面要消耗的電極材料多,重要的是,電火花加工后的模具表面粗糙度較高,拋光與研磨量大,而且模芯及工作帶的尺寸精度及表面粗糙度的差異大,模具的制造質(zhì)量難以保證;另一方面是模具在擠壓過程中的成型效果差,主要表現(xiàn)在本來在結(jié)構(gòu)上具有對稱性的各個部位的流速不一致、同步性差異大,其根本原因是,所設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了用電加工方式難以把分流橋加工成易于金屬流動的水滴形,而且各個分流橋的形狀誤差難以保證在允許范圍內(nèi),再加上模具各工作部分制造質(zhì)量參差不齊,導(dǎo)致了處于分流橋部位的金屬供應(yīng)和金屬流速的不均勻、不一致。因此,型材內(nèi)孔就容易出現(xiàn)形狀精度不達(dá)要求,諸如橢圓、圓度超差,以及各部位的壁厚差異過大等,甚至出現(xiàn)個別過水槽孔的壁厚嚴(yán)重變薄的現(xiàn)象,在使用中容易破裂泄漏。此外,模具在實(shí)際生產(chǎn)中,還存在大模芯易變形、崩裂,而導(dǎo)致模具提前失效。水冷式電機(jī)殼擠壓模具屬于大型模具,采用的是優(yōu)質(zhì)的模具鋼材,價格昂貴,而且加工的周期較長,所以生產(chǎn)成本大為提高。

2 內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模

針對目前企業(yè)使用的模具在擠壓過程中出現(xiàn)的問題,結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品,提出一種內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模。

2.1 模具的結(jié)構(gòu)

所謂內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模,就是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),把傳統(tǒng)分布在1個上模的大、小17個模芯分別放置在內(nèi)、外2個上模上如圖3所示。上模是由內(nèi)、外兩個上模通過鑲嵌組成,其中16個小模芯所在的上模為外上模,其中心部位經(jīng)切削加工被掏空,用來容納內(nèi)上模;而大模芯所在的上模為內(nèi)上模,內(nèi)上模從外上模的中心穿過并通過一定的鑲嵌方式由外上模支承其整個模體。所謂“三件式”,是有別于傳統(tǒng)的僅有上模和下模兩件式組成的分流模,其是由3件式組成的分流模結(jié)構(gòu),這“三件”分別是分流板、上模與下模。分流板位于上模的前端,金屬進(jìn)入模具時首先是進(jìn)入分流板并經(jīng)分流板的分流變形后再進(jìn)入上模。與傳統(tǒng)的上模不同的是,內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模中的上模是一個組合體,是由外上模與包含大模芯的內(nèi)上模組成,采用了鑲嵌結(jié)構(gòu),將大模芯設(shè)計成一個內(nèi)上模鑲件,當(dāng)此內(nèi)上模從外上模中心鑲?cè)牒?在擠壓過程中,分流板對它起遮擋作用,內(nèi)上模避免了直接承受擠壓力的作用而不發(fā)生變形,可防止內(nèi)上模的模芯崩裂。另外,采用鑲嵌結(jié)構(gòu)的好處還體現(xiàn)在兩個方面:一是便于加工,二是提高了模具的互換性,延長模具壽命。這樣的好處在于,相比傳統(tǒng)上模,其有效厚度減小了,更重要的是,可以將中心部位的大模芯和其他16個小模芯分別放置于內(nèi)、外兩個上模上,這樣就形成了單純的外圓與內(nèi)孔加工,兩個上?？梢灾苯硬捎密囅?、銑削和磨削的方式進(jìn)行粗、精加工。一方面可以獲得較高的加工質(zhì)量,另一方面可以避開或取消電加工工序,大大降低了加工的難度,縮短了加工周期,并提高了模具在熱處理過程中的淬透性,這些都是對提高模具的強(qiáng)度最為有利的。

圖3 內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模示意圖Fig.3 Schematic diagram of new hollowextrusion die

2.2 分流板

在上模的前端增加一件分流板,目的是使金屬進(jìn)入模具時首先經(jīng)過分流板進(jìn)行一次預(yù)分流變形,這樣擠壓分流比的值可以取到擠壓系數(shù)的40%以上,同時在金屬在進(jìn)入模具后的前段內(nèi),由于分流橋的數(shù)目減少,可減少金屬(鋁棒)被模具分流橋剪切的數(shù)量,從而可以大大降低金屬在擠壓過程中形成的擠壓力的峰值,這是基于金屬的擠壓分流比與擠壓力成反比的原理[4-5],在強(qiáng)度保證的前提下,分流比越大則擠壓力越小。分流板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

分流板共有7個分流孔,在徑向上呈內(nèi)、外分布,外層的4個分流孔是供應(yīng)型材外部與16個小模芯之間所需的金屬量,其單個分流孔的面積設(shè)為A1;內(nèi)層的3個分流孔則提供16個小模芯與1個大模芯之間形成的壁厚間隙金屬流量,其單個分流孔的面積設(shè)為A2。經(jīng)計算,金屬進(jìn)入分流板的分流比為4.8,是擠壓系數(shù)的46%。為了確保各個對稱的部位在最終成型時流出模具時速度能趨于一致,內(nèi)、外分流孔面積比例應(yīng)恰當(dāng),這是基于擠壓筒在其徑向上不可避免存在由內(nèi)向外遞減的壓力梯度[6-8],在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正,兩者的比值A(chǔ)1A2確定為1.35～1.65。

圖4 分流板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of splitting plate

這樣得到的流量與流速結(jié)果最佳,容易成型,各部位的流速容易趨于一致。

2.3 應(yīng)力空間

由于模具中有一個比較大的模芯,在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中,上模受力后會產(chǎn)生較大的彈性變形,使模芯產(chǎn)生較大的撓曲,導(dǎo)致內(nèi)外大、小模芯之間的壁厚變薄。為了保護(hù)內(nèi)上模,保證大模芯不變形,在外上模與分流板之間設(shè)計間距為0.85～1.25 mm的應(yīng)力間隙,即分流板與外上模平面貼合后,在對應(yīng)內(nèi)上模的部位留有間隙,這個間隙可取在分流板上或內(nèi)上模上。這樣的好處在于:在擠壓過程中,金屬首先觸及的是分流板,分流板在金屬的作用下,將不可避免會產(chǎn)生彈性變形,只要分流板設(shè)計有足夠的強(qiáng)度,那么這種彈性變形產(chǎn)生的向下?lián)锨菐缀蹩梢院雎缘?那么,整個模具的受力將集中由分流板來承擔(dān),這是因?yàn)閼?yīng)力間隙的存在可減輕或避免分流板在向下發(fā)生撓曲時將力傳遞到內(nèi)上模的端面上,從而降低了內(nèi)上模分流橋所承受的力,和防止發(fā)生塑性變形。一方面分流橋受力的降低可間接提高模具的強(qiáng)度和剛性,另一方面,可消除或減小因內(nèi)上模的彈性撓曲所產(chǎn)生的內(nèi)、外上模配合發(fā)生變化而導(dǎo)致型材壁厚不均勻現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 上模結(jié)構(gòu)

上模是由一個有16個小模芯的外上模與有1個大模芯的內(nèi)上模通過鑲嵌組成的,如圖5所示。

圖5 上?？偝墒疽鈭DFig.5 Schematic diagram of male die

外上模的分流孔數(shù)為12個,其與分流板外層的4個分流孔相對應(yīng),即每1個分流板的分流孔金屬負(fù)責(zé)供應(yīng)3個外上模的分流孔的金屬流量;也就是說每1個分流板分流孔的金屬進(jìn)入外上模后都將會“一分為三”進(jìn)行二次分流,進(jìn)入到其所對應(yīng)的外上模3個分流孔中;同理,分流板內(nèi)層的3個分流孔則對應(yīng)內(nèi)上模的6個分流孔。分流板內(nèi)層的每個分流孔金屬進(jìn)入到內(nèi)上模時,則會“一分為二”進(jìn)行二次分流,進(jìn)入內(nèi)上模里,3個分流孔的金屬最終分成6股金屬進(jìn)入內(nèi)上模的6個分流孔中,并在模芯的頸部匯合,充滿由模芯與下模組成的整個焊合室。將金屬進(jìn)行二次分流的目的是為了使金屬分配更加均勻,以及使流速能趨于一致,尤其是減小內(nèi)、外上模的分流橋?qū)挾?將更有利于各股金屬的最后焊合,以及各部位金屬的流速趨于一致,這有利于保證擠壓成型質(zhì)量和產(chǎn)品的形狀精度。經(jīng)驗(yàn)表明:分流橋的寬度越小,分流橋下的金屬流速與相鄰部位的差異將越小[9-11],當(dāng)分流橋?qū)挾刃∮?6 mm時,這種流速差異可忽略不計[12-13],這點(diǎn)對于保證內(nèi)上模形成的產(chǎn)品內(nèi)孔的形狀精度是至關(guān)重要的?；谶@樣的原理,內(nèi)、外上模的分流橋?qū)挾确謩e取16 mm和14 mm。

上述分流孔的布置主要是解決擠壓時金屬的流量分配均衡與金屬的擠壓成型問題,但并沒有解決模具制造難度大、周期長,以及模具誤差累積大的問題。傳統(tǒng)的模具,1個上模包含了大、小17個模芯,加工難度較大、耗時長,這也是造成擠壓成型質(zhì)量和產(chǎn)品形狀與尺寸精度差的主要原因之一。因此,根據(jù)型材斷面具有對稱性的特點(diǎn),在模具中采用鑲嵌結(jié)構(gòu)不但解決了問題且模具具有了互換性,可節(jié)省材料和減小制造工時。考慮到中心部位的模芯面積最大,因此,將傳統(tǒng)上模內(nèi)層的6個分流孔與中心大模芯從上模整體中分離出來,形成一個內(nèi)藏鑲嵌式大模芯的內(nèi)上模,而16個小模芯則形成一個外上模,這就可使加工過程大大簡化,大、小模芯的加工均可以車削或磨削作為主要的加工方式,同時16個小模芯可以設(shè)計成強(qiáng)度及剛性好的錐臺式結(jié)構(gòu)[14],而且可用車削的方式加工出來。外上模如圖6所示。

同樣,內(nèi)上模的加工也可以大大簡化,其分流孔和分流橋完全可以按照普通的分流模那樣進(jìn)行加工,而模芯則完全可以采用車削、銑削及磨削的方式。特別是分流橋的加工,可以采用銑削方式加工成水滴形,減小了分流橋下金屬剛性區(qū)或流動死區(qū)的形成,并有利于分流橋兩側(cè)金屬的焊合。而在內(nèi)上模的大模芯上開設(shè)一個Φ54 mm的中心孔,是為了提高子內(nèi)上模在熱處理過程中的淬透性[15]。同時,考慮到內(nèi)、外上模在鑲嵌時外上模需要支承內(nèi)上模,外上模必須有足夠的支承厚度,根據(jù)理論計算與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),支承厚度應(yīng)大于25 mm,這樣的結(jié)果是內(nèi)、外上模組合后內(nèi)上模的大模芯對應(yīng)的焊合室深度必然會較傳統(tǒng)模具增加,而使得內(nèi)上模的大模芯周圍可容納的金屬量也相應(yīng)增加,這會提高擠壓成型時內(nèi)上模大模芯周邊金屬流動的靜水壓力,提高中心內(nèi)孔在成型時的焊合質(zhì)量,從而提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能。內(nèi)、外上模分開加工完成后再鑲嵌組合在一起就組成了完整的一個上模。內(nèi)上模結(jié)構(gòu)如圖7所示。

將上模設(shè)計成由內(nèi)、外上模組成的鑲嵌結(jié)構(gòu),簡化了大、小17個模芯的加工,完全取消了電加工工序,模具的拋光和研磨的工作量也大為降低,節(jié)省了加工工時和昂貴的銅電極材料,關(guān)鍵是提高了模具的整體制造質(zhì)量,大大降低了制造誤差的累積,使制造精度同樣具有與產(chǎn)品形狀相應(yīng)的“對稱性”,因而可以保證產(chǎn)品最終的尺寸精度及形狀精度符合生產(chǎn)要求。

2.5 下模結(jié)構(gòu)

下模的結(jié)構(gòu)主要包括工作帶和焊合室。焊合室的輪廓依外上模進(jìn)入下模焊合室前的分流孔的最大輪廓而設(shè)定,在分流橋的橋底設(shè)計橋墩[16],目的是減小分流橋的跨度,從而提高模具的抗彎強(qiáng)度。由于在外上模分流橋的寬度為16 mm,所以與傳統(tǒng)下模選擇帶梯度工作帶不同,采用等值工作帶,取7 mm,這有利于保證金屬流動的均勻性和外圓的圓度。另外,?？椎目盏督Y(jié)構(gòu)采用二段分級和錐形出口的形式,這可以避免金屬成型擠出?？跁r與模具發(fā)生擦碰而損傷表面。下模如圖8所示。

圖6 外上模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of outer-male die

圖7 內(nèi)上模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of inner-male die

圖8 下模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of female die

3 結(jié)果比較

對傳統(tǒng)的僅由上模和下模二件式組成的模具與內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模的使用情況進(jìn)行跟蹤,兩種結(jié)構(gòu)的模具使用結(jié)果如表1所示。

表1 模具結(jié)構(gòu)與擠壓結(jié)果對比

由表1可知,內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模,具有明顯的優(yōu)勢,模具的制造周期大為縮減,模具壽命大幅提高。

4 結(jié)束語

對內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模進(jìn)行使用跟蹤,數(shù)據(jù)表明:其制造周期相比傳統(tǒng)的減少15天,制造的成本下降43.2%;模具最終壽命是傳統(tǒng)的5倍,更為重要的是,在擠壓過程中所出現(xiàn)的擠壓力峰值相比傳統(tǒng)模具下降約22%,型材各部位擠壓流出?？诘乃俣葞缀跻恢?整個擠壓過程平穩(wěn)、順利,擠出的型材質(zhì)量大為提高,精度可達(dá)國標(biāo)GB 5237的高精級,局部達(dá)到超高精級,解決了傳統(tǒng)模具出現(xiàn)的諸如內(nèi)孔出現(xiàn)橢圓和壁厚差異嚴(yán)重等形狀精度及尺寸精度不達(dá)標(biāo)問題,而且模具制造過程的電極耗材大為減少,節(jié)省了成本。

由此可見,對于大型水冷式鋁合金電動機(jī)外殼型材,模具是關(guān)鍵要素。合理的模具結(jié)構(gòu)是提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的重要因素。采用三件式分流模結(jié)構(gòu),可充分發(fā)揮分流板的分流作用,降低擠壓力,結(jié)合應(yīng)力間隙的設(shè)計,最終提高模具的強(qiáng)度與壽命;合理的分流孔設(shè)計則是解決擠壓成型效果的關(guān)鍵;而采用內(nèi)、外上模鑲嵌結(jié)構(gòu),則是解決制造及制造誤差的關(guān)鍵。通過采用這些有效方法,可以簡化模具的加工,縮短加工工時,更重要的是提高了模具整體的精度,減少了制造過程中誤差的積累,并使模具具有互換性,從而降低成本和提高模具的壽命。因此,這種針對大型水冷式電動機(jī)外殼型材擠壓生產(chǎn)的內(nèi)外上模鑲嵌三件式分流擠壓模是值得復(fù)制和推廣的。