电机壳体数值模拟中半锥角对变薄拉深的影响

作者：信息来源:模具 2008-6-20

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电机壳体是一种表面质量和精度要求较高的零件，其内外圆壁都需要进行变薄拉深。实践证明：在其他条件诸如材料、摩擦、变薄量一定的情况下，半锥角的大小是一个关键的因素。（见图1）图1 凹模半锥角a关于半锥角的选取，目前尚无准确的公式、曲线或表格，一些专业书籍和相关的手册也只给出了半锥角的大致范围，且各不一致。例...

随着加工工业的不断发展以及加工产品向着高精度、高质量和高难度的方向发展，板料的多次成型及特殊成型方法正得到越来越广泛的应用。电机壳体一种表面质量和精度要求较高的零件，其内外圆壁都需要进行变薄拉深。但是，变薄拉深在实际生产中经常遇到样的问题：在变薄量一定的情况下，由于模具数选择不合理，拉深时很容易将筒壁拉裂或拉断；或需要再增加一道变薄拉深工序，造成模具成本的提高。实践证明：在其他条件诸如材料、摩擦、变薄量一定的情况下，半锥角的大小是一个关键的因素。（见图1）

图1 凹模半锥角a

关于半锥角的选取，目前尚无准确的公式、曲线或表格，一些专业书籍和相关的手册也只给出了半锥角的大致范围，且各不一致。例如有些文献给出半锥角为10—30度，而有些为12—25度。锥角过小，变薄成形趋近于挤压变薄，增大了摩擦阻力；锥角过大，使变薄拉深的难度加大，增大了总成形力。因此如何在一定的条件下推出了最佳半锥角问题，有曾采用功平衡法，在作了相当的假设和简化的条件下推出了最佳半锥角的显示表达式，但并未做详细、深入的研究讨论。

通过计算机数值模拟技术的应用，本文就半锥角对总成形力的影响做了研究，从而在电机壳的变薄拉深成形中选择合适的半锥角，保证了拉深成形的合理性，同时为模具设计提供了依据。

1. 产品分析

电机壳体平面尺寸图及零件图如图2、3所示

图 2 电机壳体尺寸图3 电机壳体成品件

由图1可以看出，该电机壳体成型较复杂，主要工艺是内圆的正拉深和外圆的反拉深，制件内外壳及底部壁厚不同，因此需要变薄拉深成形。且侧壁变薄量大，底部圆角较小，要求表面质量良好，精度较高，没有变形、划痕、起皱等缺陷。其结构是轴对称的筒型件，因此可以利用筒型件的拉深成型方法来处理。这里主要研究外圆壁变薄拉深工艺。电机壳体所用的材料为37号钢（DQSK），材料厚度t=1.6mm。

2. PRO/E三维建模及数值模拟

2.1 三维建模

如图4为电机壳体半成品变薄拉深模具示意图：

图4 变薄拉深成形示意图

图中凹模半锥角一般采用导角形式而不用圆角，采用圆角增大成形摩擦力，对模具损耗很大，不利于变薄成形。

2.2 Dynaform拉深数值模拟和结果分析

采用Dynaform模拟软件对变薄成型过程进行分析，求解器采用LS-DYNA，基于增量法有限元理论，分析结果准确可靠。该软件所有的缺省参数设置都是应用于冲压成形分析的。运用DYNAFORM进行分析之前，首先需要将PRO/E产生的文件转换成该软件可识别的igs格式，再将文件导入，如果导入后的文件信息有缺陷则可以用DYNAFORM软件自身的功能进行修复，以达到模拟的要求。

1）确定模拟参数

拉延类型: Inverted Draw；
接触类型：Forming_One_Way_Surface_To_Surface ；
毛坯: 材料Type 37（板金成形模拟中一个 3-参数的理想模型，平面应力状态，各向异性材料)，属性: BELYTSCHKO_TSAY SHELL，厚度方向积分点NIP:5；
凸模: 刚体，静摩擦系数: 0.125，动摩擦系数: 0.1，移动速率：8000mm/sec；NIP:3；
凹模：刚体，静摩擦系数: 0.125，动摩擦系数: 0.1；NIP:3；
压边圈: 刚体，静摩擦系数: 0.125，动摩擦系数: 0.1；NIP:3；

2）变薄拉深的模拟结果

通过对坯料形状、压边圈及模具半锥角等参数的控制，使模拟结果尽量趋近实际情况，从而得到质量高的合格产品。另外在变薄拉深过程中存在着凹模半锥角和一次变薄率的影响。半锥角一般在10-15度间，本文选择15度，而如果变薄率超过材料的临界变薄率，就会使制件产生拉裂，必须分多次变薄拉深。一般临界变薄率为0.25-0.30之间。就该壳体的变薄率(t-t’)/t=(1.6-1.45)/1.6=0.09远小于临界值，所以一次拉深不会产生裂纹，下面的模拟结果图也说明了其正确性。

图5

3. 半锥角对总成形力的影响

在变薄拉深中，半锥角对最终的外圆壁成形质量影响不大，但是对于模具总成形力有较大影响。因此选择最佳的半锥角结构有利于降低总成形力，降低产品对设备的要求。

分别将凹模半锥角a定为5º、10º、15º、20º、25º及30º。在凹模建模时可利用PRO/E的零件族命令只改变锥角角度，这样可以省去很多重复建模的过程。在变薄厚度不变的情况下，利用模拟研究不同锥角下对总成形力大小的影响，找到电机变薄成形中的半锥角。通过数值模拟得出不同锥角时总成形力的值如表1所示：

表1 凹模半锥角对总成形力的影响

半锥角

5º

10º

15º

20º

25º

30º

总成形力（KN）

38.0

38.4

38.5

39.0

41.3

41.8

由表可知，总体上看，在50～300范围内总成形力的变化不是很大，但是仍然存在着小的区别，详见图6：

图6 半锥角与总成形力图

从图可以看出，半锥角在50～300间总成形力呈现上升的趋势，但在5º～15º间总成形力变化很小，考虑到小的角度会使凹模与材料摩擦增大，故电机壳变薄拉深中最终选取15º作为半锥角。

4.结语

本文对电机壳体的变薄拉深成型过程做了分析，并对半锥角对总成形力的影响做了研究。通过有限元数值模拟对成形过程进行分析。由分析结果可知，对凹模半锥角的优化，可以明显降低总成形力，降低了生产设备的要求，并且产品也达到了实际生产的要求。另外利用数值模拟技术可以缩短模具研制周期，提高产品的经济效益。

参考文献
涂光祺.《冲模技术》机械工业出版社
徐政坤《冲压模具及设备》机械工业出版社 2005
郑家贤《冲压工艺与模具设计实用技术》机械工业出版社 2005
姜奎华《冲压工艺与模具设计》机械工业出版社 2002
王孝培冲压手册（第二版）[M].机械工业出版社，1988.
赵海欧 LS_DYNA动力分析指南[M]. 兵器工业出版社， 2003.

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