马达外壳盒形拉深件成型模拟与冲压级进模设计

闫 洁，江开勇

(华侨大学 机电学院，厦门 361021)

随着电子产品应用的日愈广泛，对盒形件的需求也迅速增长，小到微型马达外壳，大到汽车覆盖件，盒形件在各领域起到不同的作用，如防护、防磁漏、固定等。盒形件拉深具有径向拉应力分布不均匀、变形分布不均匀、切向压应力分布不均匀等特点［1－2］，因此对盒形件的拉深工艺和模具设计提出了较高的要求。

本文通过对某微型马达外壳拉深件的冲压工艺进行分析，提出了可行的冲压工艺和模具设计方案，并利用Dynaform软件对板料冲压过程进行数值模拟，预测成型过程中的裂纹、起皱、减薄等问题，评估产品形状成型的可能性。最后结合Solidworks三维软件自上而下的建模方式进行级进模装配图结构设计。

1 马达外壳冲压工艺分析

该盒形件作为某微型马达的壳体，其结构形状如图1所示。材料为08F钢，料厚0.8 mm，要求有良好的表面质量，无变形和明显拉痕，去毛刺，公差等级为 IT12，可大批量生产。材料性能参数见表1。

盒形件属于非旋转体零件，包括方形盒、矩形盒以及椭圆形盒等。与旋转体零件拉深比较，盒形件拉深时毛坯变形区分布要复杂得多［3］。根据能否一次拉深成型，可将盒形件分为2类:一类是能一次拉深成型的低盒形件;另一类是需要多次拉深才能成型的高盒形件［4－5］。由于该盒形件的拉深高度H大于宽度B的一半，即H＞0.5B，初步判断该零件需经过2次拉深成型。

图1 马达外壳拉深件零件图

表1 板材性能参数

确定该马达外壳盒形件的主要加工工序包括拉深、整形、冲孔、落料、切边等。采用单排带料拉深级进模方式加工。具体的工序为:① 冲工艺切口;② 首次拉深;③ 二次拉深;④ 压凸台;⑤ 整形;⑥冲底孔;⑦ 冲侧孔;⑧ 落料。其切边工序由后续工序进行处理。

图2 马达外壳拉深件排样图

2 马达外壳成型CAE分析

传统开发中往往需要经过设计→试验→改进→试验的多次循环，使用CAE分析、虚拟制造技术可以减少上述迭代次数。Dynaform软件基于有限元方法建立，可方便地求解板料成型工艺及模具设计涉及的复杂问题，包括:定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力机吨位等。设置过程与实际生产过程一致，可对冲压生产的全过程进行模拟。

盒形件的成型工序中拉深最关键，本文主要研究该马达外壳盒形件首次拉深和二次拉深成型结果。

2.1 首次拉深建模

首先在Pro/Engineer中建立曲面的三维模型，将模具型面几何模型以 IGES格式导入Dynaform软件中，利用DFE模块完成毛坯展开、网格自动剖分、网格的检查和修补、网格边界光顺、冲压方向调整、载荷曲线定义、模具的定位等［6］。毛坯展开图见图3。网格模型见图4。

为了兼顾计算效率和精度，凸模模拟冲压速度取5 000 mm/s，摩擦因数0.125。设置完成后提交到求解器计算，完成板料冲压成型过程模拟。

图3 毛坯展开图

图4 网格模型

2.2 模拟结果分析

读入计算生成的 d3plot文件到后处理模块中，关闭其他零件，只留下坯料。选择All Frames(所有帧)，单击 Play按钮，可动态查看坯料的成型过程。从FLD(成型极限图)(见图5、6)和厚度减薄率分布(见图7)等方面说明覆盖件的拉深成型性。

图5 首次拉深成型极限图

图中上部深色表示拉裂，上部浅色表示有拉裂的趋势，下部深色表示安全，中部深色表示有起皱的趋势，上部浅色表示轻微起皱，边缘深色表示严重起皱。设置首次拉深总压边力3.675 kN(根据经验公式计算)。由图可知压边力稍大，会产生轻微起皱。起皱发生在边缘法兰区域，不在零件内部，不会影响零件质量。

2.3 二次拉深建模分析

将首次拉深的结果导入新模型中，再导入第2次拉深的凸模，并网格化，用“快速设置”定义模型，并完成运算分析。其运算结果如图7所示:二次拉深由于筒形毛坯稳定性较好，凸缘处的材料只有较少流入凹模，不易起皱，二次拉深设置压边力为零。

由图6可知，方形盒的凸缘部分和圆角部分都有轻微起皱现象，而直边部分起皱现象并不明显，这是因为在二次拉深过程中，拉深件由圆筒形变为方形，直边部分材料的流动空间较小，材料向圆角部分转移，因而产生了较大的切应力，使圆角部分材料失稳，出现了轻微的起皱现象。

由图7可知，有很小的区域有拉裂，发生在底部圆角处，这是因为材料在首次拉深时产生了冷作硬化，使得材料在二次拉深时塑性变差，引起径向拉应力增大，致使底部圆角部分的过分变薄，产生了拉裂的趋势。因此，可以采取措施改进设计，如适当减小压边力、改善润滑条件、增大拐角处的圆弧半径或在坯料相应位置开设工艺切口等，以便材料合理流动。

3 马达外壳冲压模具设计

将成型模拟得到的几何数据经过修正后导入到SolidWorks软件中进行模具的三维设计。Dynaform得到的模面在转到SolidWork时会出现一些不相容的问题，可依照Dynaform得到的模面将导入Dynaform之前的模型面在SolidWork中进行补充设计后再使用。运用Solidworks自上而下的建模方式［7－8］，即先取定产品的总体基本结构，在部分完成装配体的设计后［9］，再根据零件的功能、加工特征、连接方式等，进行零部件的设计，以避免单独设计零件时造成的干涉冲突［10］。图8和9分别为马达外壳拉深件模具三维结构装配图和爆炸图。

4 结束语

根据对马达外壳盒形件冲压工艺性结构特征、尺寸要求、使用功能的分析，以三维CAD/CAE技术为依托，确定其拉深、整形、冲孔、落料、切边等加工工序。结果表明，通过对板料冲压过程进行数值模拟分析，可以预测成型过程中可能存在的问题，合理安排其模具的结构设计，检验装配干涉情况，提高模具开发的成功率。

［1］姜奎华.冲压工艺与模具设计［M］.北京:机械工业出版社，2008:120－173.

［2］王孝培.冲压手册［K］.北京:机械工业出版社，2002.

［3］翁其金.冷冲压技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［4］欧阳波仪.多工位级进模设计标准教程［M］.北京:化学工业出版社，2008:37－54.

［5］Rousselier G，Barlat F，Yoon J W.A novel approach for modeling of anisotropic hardening and non proportional loading paths application to finite element analysis of deep drawing［J］.Science in China Series E Technological Sciences，2009(1):367 －370.

［6］王秀凤.板料成形CAE设计及应用—基于Dynaform［M］.2版.北京:北京航空航天大学出版社，2010:79－107.

［7］陈文亮.板料成形 CAE分析教程［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［8］Solidworks模具设计入门、技巧与实例［M］.北京:化学工业出版社，2010:60－72.

［9］杨占尧.冲压模具图册［K］.北京:高等教育出版社，2008:202－251.

［10］张正修.实用冲模结构设计手册［K］.北京:化学工业出版社，2009:468－605.