船用辅机电机罩壳快速冲压成型仿真分析及优化

娄骏彬，龚雅萍，苏 霖，侯文洪

(1.嘉兴学院信息科学与工程学院，浙江嘉兴 314001；2.浙江海洋大学海洋工程装备学院，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山 316022；4.浙江炜驰机械集团股份有限公司，浙江舟山 316100)

舰船辅机所用的电动机除满足国家标准所规定的陆用电机的要求外，还应考虑舰艇工作的特殊应用场景，诸如在减振抗噪、防爆防潮以及绝缘等级等方面需要更高性能要求[1]。船用辅机电机罩壳决定了该电机中定子和转子的相对位置，是组成电机的关键零件。其冲压成型加工制造工艺品质的好坏将直接影响船用辅机的动力运行噪声、输出功率和发热等性能[2]。

薄板冲压成型是通过模具在金属板料上施加压力，板料在外力的作用下发生塑性变形，从而形成所需零件的形状。在这一复杂的非线性大变形过程中，包含材料、几何以及接触三重非线性问题，会发生剧烈变化的应力集中区域[3]。特别是船用辅机电机罩壳往往具有更多的成型特征，成型尺寸变化大，在冲压成型加工过程中容易产生起皱、拉裂、回弹等成型缺陷，严重影响冲压件的几何精度、力学性能和表面质量。

传统的试验法和经典理论分析法对冲压成型过程的研究多停留在定性和经验统计分析阶段，难以确定各成型因素的影响，不能很好地预测和控制成型过程。随着近年来冲压成型机制的理解深入，国内外学者逐渐将数值模拟方法应用于冲压成型的模具设计和工艺优化中[4]。邓明等[2]针对暖风机电机机壳冲压成形技术进行研究，分析了成形工艺及模具设计要点。毕文权等[5]应用三维弹塑性有限元模型和MSC.Marc软件对桥壳的热冲压成型过程进行了数值模拟，考察了冲压温度、冲压速度、摩擦条件对冲压过程中温度场、应力场分布的影响规律。陆博福等[6]对反向曲线的变径壳体冲压成型工艺、毛坯展开下料计算，以及模具设计等方面进行研究。STADNICKI，et al[7]以车身零件冲压成型为例，考察了冲压成型有限元仿真模型的数值求解效率及求解方法，比较了Dynaform 和Autoform 程序对零件冲压成形仿真的效果。LIAO Min，et al[8]采用多目标优化方法对汽车零件的冲压方向进行了研究，并利用Autoform 有限元方法进行了验证。PALMIERI，et al[9]利用有限元软件AutoForm 对拉伸过程进行建模并分析拉伸过程的稳定性和成形能力。

虽然国内外已对壳体板料冲压成型的仿真分析进行了基础研究，并将其用于指导生产，但在船用辅机电机罩壳冲压成型分析及冲压工艺优化制定方面的研究较少。本文针对船用辅机电机罩的冲压成型问题进行分析，并优化冲压模具结构以实现冲压成型质量的提升，并通过Autoform 数值模拟软件对优化后模具的冲压过程进行模拟分析验证优化的有效性。

2 辅机电机罩结构特点及成型分析

2.1 结构特点

永磁无刷直流电机具有较好的转速调节性能及可靠性，广泛应用于船用辅机动力驱动装置，该电机的定子和转子分别通过罩壳的内筒壁和壳体轴承室定位支撑，保证定子和转子均匀间隙，而壳体与机盖则通过口部内径与机盖端面凸条外径配合实现定位，以保证轴承室的相对位置精度。船用辅机电机罩壳的上述结构特征则在很大程度上由其冲压成型品质保证，以实现后续产品焊接和组装的准确性要求，其结构见图1。

图1 船用辅机电机罩壳结构图Fig.1 Structure diagram of marine auxiliary motor cover

2.2 成型问题分析

由于船用辅机电机定子是通过电机罩壳内筒壁进行径向定位，需避免在筒形拉伸过程中发生严重变薄现象，影响定位精度；同时，罩壳内壁还需通过整形工序以保证一定的同轴度和尺寸公差，以实现与轴承室的相对定位精度。

船用辅机电机罩壳采用厚为4 mm 的板料进行筒形深拉伸冲压成型，受到许多因素的影响和限制。在实际冲压成型生产中容易引起材料的局部开裂、起皱、拉毛、回弹和破裂等缺陷，无法满足总成匹配90%以上的合格率要求（图2）。

图2 电机罩冲压成型缺陷Fig.2 Stamping defects of motor cover

2.3 电机罩冲压成型工艺

船用辅机电机罩壳通常由多种工序综合应用于一个工件，包括冲裁、翻孔、剪切、拉伸、冲孔、整形等几种主要的冲压工艺，其主要成形工艺路线如图3 所示。

图3 船用辅机电机罩壳冲压成形工艺Fig.3 Stamping forming process of marine auxiliary motor cover

3 冲压成型工艺参数确定

3.1 毛坯尺寸

电机罩壳零件需考虑材料变薄因素，以满足多次拉深成形的需要，其毛坯尺寸直径的计算应根据解析算法公式[2]：

式中：D 为毛坯直径，mm；Si为罩壳筒体各部分的表面积总和，mm2；α 为平均变薄系数，对本文所采用的08AL 钢材，取α=0.95。经计算毛坯直径D=440 mm。

3.2 压边力

压边力是通过压边圈作用于压料面来带动板料运动完成成型过程的作用力，是影响板料成型质量的关键因素之一，其理论公式为[10]：

式中：F 为压边力，N；S 为压边面积，mm2；q 为单位压边力，N·mm-2，不同材料q 的取值不同，经计算本文的理论压边力F 为50 kN。

4 成型模具优化

为了解决成型过程中常常伴有开裂、拉毛、增厚和起皱等问题，关键是需要通过对成型模具进行优化整改。成型模具优化调整总体方案为：

(1)开裂：优化冲压成型产品的进料凹模和凸模R 角，调整产品板料进料间隙值，反复模拟单位压强和润滑系数，直至可有效解决产品开裂现象。

(2)拉毛：凹模口使用渐变进料R 角，上小下大。用小R 角成型防止走料过快导致产品起皱；而用大R角以减少与产品的摩擦及接触面积，利用材料进入模腔时的速度变化和厚度变化的分析模拟值不断优化R 角，减少进料阻力，防止产品出现拉毛及拉伤等现象。

(3)增厚：分析过程中调整局部工艺面间隙，合理计算板料大小。适当加大成型力防止局部堆料。

(4)起皱：适当调整凹模口R 角，板料的摩擦系数、板料大小、成型压力等手段来防止起皱。

船用辅机电机罩壳冲压成型各工序的具体整改方案见表1。

表1 各工序对应的模具结构优化Tab.1 Optimization of die structure corresponding to each process

5 冲压成型仿真分析

5.1 参数设置

电机罩壳冲压成型的仿真参数，包括材料参数、结构参数以及成型参数如表2 所示。

表2 冲压成型仿真参数Tab.2 Simulation Parameters of Stamping Forming

将建好的三维模型以片体形式提取成*IGS 格式并导入Autoform 软件中，设置模拟参数、材料参数。成型模拟类型选择单动拉延，对电机罩壳进行冲裁、翻孔、剪切、拉伸、冲孔、整形等冲压工艺仿真，冲压成型仿真流程路线(图4)。

图4 冲压成型仿真流程Fig.4 Simulation process of stamping forming

5.2 仿真结果分析

图5 为电机罩壳在冲压成型过程中材料流动变形云图，由图可知在冲压过程中成形的流动性较好，没有明显的危险区域。

图5 成型过程云图Fig.5 Nephogram of molding process

电机罩壳冲压成型过程的成形极限图，在力学上是指冲压板材在不同应力条件或不同应变路径下发生颈缩或破裂之前可以达到的极限板面应变量的集合，是分析冲压成形工艺过程能否稳定发展的判据判断，也是评定金属薄板成形性的最为简便和直观的方法[11-13](图6)。图中所有的点都在成形极限曲线下方，表示在冲压成型过程中没有破裂情况发生。

图6 成形极限图Fig.6 Forming limit diagram

成型模具优化前与优化后，产品冲压成型的效果对比如图7 所示。由图7(a)可知，优化前的产品顶部减薄率最大，而底部发生较为严重的堆料增厚，最大增厚率达108%，影响产品成型质量。而优化后冲压成型的产品减薄率见图7(c)，电机罩壳在顶部拉延后有一定减薄，平均减薄率在24.41%，最大减薄率为30.32%。同时在筒壁及压边处会发生局部堆料增厚，最大增厚达9.34%。由图7(d)可知，在冲压成型过程中未发生起皱现象，成形质量总体良好。

图7 冲压成型云图Fig.7 Nephogram of stamping forming

通过上述仿真结果显示，船用辅机电机罩在成型模具优化整改后，产品的冲压质量较好，未发现整改前所出现的拉伸开裂、产品拉毛以及堆料增厚、起皱等现象，经冲压成型生产实践，优化后的产品合格率在90%以上，进一步表明冲压模具结构优化的有效性，满足产品总成匹配的生产要求。

6 结论

针对目前船用辅机电机罩壳冲压成型质量不高、效率低的问题，确定冲压成型工艺参数并通过调整凹模及凸模R 角优化成型模具。利用Autoform 数值模拟软件对优化冲压工艺后的电机罩壳冲压成型过程进行仿真分析。仿真结果显示，优化后的冲压成型质量较好，未发生明显开裂情况，产品最大减薄率为30.32%，未发生起皱现象。同时经冲压成型生产实践，优化后的产品合格率在90%以上，进一步表明冲压模具结构优化的有效性。