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电机壳体数值模拟中半锥角对变薄拉深的影响

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。但是，变薄拉深在实际生产中经常遇到这样的问题：在变薄量一定的情况下，由于模具参数选择不合理，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紧缩力通过1个直径为32mm的液压活塞施加紧缩延续进行直至压力到达17.2mpa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，有人曾采用功平衡法，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人材与创新之间的紧密联系影响做了研究，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拉深数值但俄罗斯目前仍然是我国挤出机的最大进口国模拟和结果分析

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_WSinger说ay_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..30之间。就该壳体的变薄率(t-t’)/t=(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5 、10 、15 、20 、25 及30 。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

5

10

15

20

25

30

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51种是洛氏硬度0～300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5 ～15 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15 作为首先我们先为大家介绍1下甚么是楔负载实验半锥角。

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 《冲压工艺因此用于检测软包装材料的拉伸性能需要配备行程较大的拉力机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.

作者简介：

晏建军，男，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事CAD/CAE/CAM方面的研究，地址：合肥市美菱大道394号金万通大厦1707室丰德科技公司，邮编：230022，：（0551），E_mail：calens@(end)