内外上模镶嵌三件式分流挤压模

黄艳丽, 邓汝荣, 丘永亮, 林聚豪

(1. 广东工贸职业技术学院机械工程学院,广东 广州 510550;2. 广州科技职业技术大学,广东 广州 510550)

0 引言

当前汽车轻量化和新能源电动汽车的发展方兴未艾,特别是随着碳达峰、碳中和目标的提出,各个车企均已开始全面布局新能源汽车,如国内某车企自2022年3月就已停止生产燃油车,成为全球首个停止燃油车生产的企业。相关数据表明,新能源汽车产业已经成为了全球经济新的增长点。在新能源汽车中,电动机是其最核心部件或技术之一[1-2],其在工作时的转速非常高而且启动相当频繁,转速都在1×104r·min-1以上,且不到1×103r·min-1就能产生最大的扭矩,而通常的燃油车发动机转速只有6×103～9×103r·min-1,即便是涡轮式发动机,其峰值扭矩来得最早,也至少需要1.3×103～1.5×103r·min-1。新能源电动汽车这样的工况,会导致电动机内的温度很高。所以电动机外壳不能采用传统的风冷方式而必须采用水冷式电机壳体,这种水冷式壳体同样可用于矿山设备和大型计算机通信设备[3]。水冷式电动机外壳断面形状相比传统风冷式要复杂。但不论其断面形状如何,空腔多且最小与最大空腔相差悬殊是其结构主要特征,最终都要通过挤压模具在挤压机来生产,因此,模具是生产水冷式电动机壳的关键要素。经对相关企业的调查及对新能源电动汽车的跟踪了解,目前国产新能源电动汽车上用的水冷式电动机在工作时,噪音比较大且故障发生的频率较高。究其原因是机壳的初始挤压毛坯质量较差,而造成这种质量问题的根本原因是模具的问题。模具的质量问题反映到水冷式电动机外壳主要体现在两个方面:一方面会导致水冷式电动机外壳产品的内孔容易出现椭圆现象,即型材断面的形状精度较低,并在长度方向上伴随有较大扭拧度偏差;另一方面是容易出现内孔偏心问题,即内外圆的同轴度偏差大而造成产品壁厚严重不均,即型材断面的尺寸精度低,壁厚最小处在使用过程中容易发生穿孔泄漏现象。因此,解决模具的质量问题是解决水冷式电动机一系列问题的关键,而模具的关键又在于设计与制造[4]。本文通过企业的实际产品,对其目前使用的挤压模结构进行了剖析,针对电动机壳型材的质量问题,提出一种内外上模镶嵌三件式分流挤压模的新型模具,可大大简化加工、缩短加工周期,并大大减小制造中误差积累,提高制造的精度,并可使挤压过程中的金属流动的状况得到改善,能有效解决因机壳质量问题而造成电动机在工作中的噪声大、寿命短的问题,可供同行参考。

1 产品的结构工艺分析

图1 典型水冷式电机外壳断面示意图Fig.1 Schematic diagram of typical water cooled motor shell section

图1所示是一款典型的大型水冷式电动机外壳铝型材断面,目前广泛用于新能源电动汽车上。该型材的断面面积为20 422.7 mm2,具有良好的散热功能。该型材断面的内孔尺寸为Φ236 mm,外径为Φ290 mm,型材断面包括内、外共计17个空腔,处于中心的内腔是最大空腔即内孔,是安装电机的定子与转子等部件的功能部位,此内孔的尺寸精度及形状精度,尤其是圆度和扭拧度要求高,按标准GB 5237超高精级执行,是影响电机使用的关键尺寸;而在外侧则有16个较小的空腔,是冷却水流经的槽孔,起冷却作用,要求其内、外两侧,以及中心内孔与各个小孔之间的壁厚均匀一致,若超出设计所允许的范围,容易在水的压力作用下发生穿孔泄漏现象。从型材的断面可知,虽然型材具有对称性,形状也较简单,但挤压成型却较复杂,其主要体现在中心最大内孔与外侧最小空腔的面积差异悬殊,中心内孔的面积为43 743.5 mm2, 而16个外侧小孔的单孔面积为314.3 mm2。

经走访相关企业调查发现,该产品均被企业安排在能力为50～60 MN的挤压机上进行挤压生产。目前企业在生产此型材存在的问题主要表现在两个方面:一是模具的成本较大。原因是模具的加工难度大、周期长,这是缘于传统设计的结构使得模具的大、小17个模芯在加工过程中必须借助铜电极,利用电火花分粗、精两次加工才能完成,铜电极结构如图2所示。

图2 电火花加工铜电极结构示意图Fig.2 Structure of copper electrode for EDM

另外,处于大模芯与16个小模芯之间的分流桥、引流孔及引流槽同样都需要用电火花加工才能完成。这样的电火花加工,一方面要消耗的电极材料多,重要的是,电火花加工后的模具表面粗糙度较高,抛光与研磨量大,而且模芯及工作带的尺寸精度及表面粗糙度的差异大,模具的制造质量难以保证;另一方面是模具在挤压过程中的成型效果差,主要表现在本来在结构上具有对称性的各个部位的流速不一致、同步性差异大,其根本原因是,所设计的模具结构导致了用电加工方式难以把分流桥加工成易于金属流动的水滴形,而且各个分流桥的形状误差难以保证在允许范围内,再加上模具各工作部分制造质量参差不齐,导致了处于分流桥部位的金属供应和金属流速的不均匀、不一致。因此,型材内孔就容易出现形状精度不达要求,诸如椭圆、圆度超差,以及各部位的壁厚差异过大等,甚至出现个别过水槽孔的壁厚严重变薄的现象,在使用中容易破裂泄漏。此外,模具在实际生产中,还存在大模芯易变形、崩裂,而导致模具提前失效。水冷式电机壳挤压模具属于大型模具,采用的是优质的模具钢材,价格昂贵,而且加工的周期较长,所以生产成本大为提高。

2 内外上模镶嵌三件式分流挤压模

针对目前企业使用的模具在挤压过程中出现的问题,结合实际产品,提出一种内外上模镶嵌三件式分流挤压模。

2.1 模具的结构

所谓内外上模镶嵌三件式分流挤压模,就是根据产品的结构特点,把传统分布在1个上模的大、小17个模芯分别放置在内、外2个上模上如图3所示。上模是由内、外两个上模通过镶嵌组成,其中16个小模芯所在的上模为外上模,其中心部位经切削加工被掏空,用来容纳内上模;而大模芯所在的上模为内上模,内上模从外上模的中心穿过并通过一定的镶嵌方式由外上模支承其整个模体。所谓“三件式”,是有别于传统的仅有上模和下模两件式组成的分流模,其是由3件式组成的分流模结构,这“三件”分别是分流板、上模与下模。分流板位于上模的前端,金属进入模具时首先是进入分流板并经分流板的分流变形后再进入上模。与传统的上模不同的是,内外上模镶嵌三件式分流挤压模中的上模是一个组合体,是由外上模与包含大模芯的内上模组成,采用了镶嵌结构,将大模芯设计成一个内上模镶件,当此内上模从外上模中心镶入后,在挤压过程中,分流板对它起遮挡作用,内上模避免了直接承受挤压力的作用而不发生变形,可防止内上模的模芯崩裂。另外,采用镶嵌结构的好处还体现在两个方面:一是便于加工,二是提高了模具的互换性,延长模具寿命。这样的好处在于,相比传统上模,其有效厚度减小了,更重要的是,可以将中心部位的大模芯和其他16个小模芯分别放置于内、外两个上模上,这样就形成了单纯的外圆与内孔加工,两个上模可以直接采用车削、铣削和磨削的方式进行粗、精加工。一方面可以获得较高的加工质量,另一方面可以避开或取消电加工工序,大大降低了加工的难度,缩短了加工周期,并提高了模具在热处理过程中的淬透性,这些都是对提高模具的强度最为有利的。

图3 内外上模镶嵌三件式分流挤压模示意图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,目的是使金属进入模具时首先经过分流板进行一次预分流变形,这样挤压分流比的值可以取到挤压系数的40%以上,同时在金属在进入模具后的前段内,由于分流桥的数目减少,可减少金属(铝棒)被模具分流桥剪切的数量,从而可以大大降低金属在挤压过程中形成的挤压力的峰值,这是基于金属的挤压分流比与挤压力成反比的原理[4-5],在强度保证的前提下,分流比越大则挤压力越小。分流板结构如图4所示。

分流板共有7个分流孔,在径向上呈内、外分布,外层的4个分流孔是供应型材外部与16个小模芯之间所需的金属量,其单个分流孔的面积设为A1;内层的3个分流孔则提供16个小模芯与1个大模芯之间形成的壁厚间隙金属流量,其单个分流孔的面积设为A2。经计算,金属进入分流板的分流比为4.8,是挤压系数的46%。为了确保各个对称的部位在最终成型时流出模具时速度能趋于一致,内、外分流孔面积比例应恰当,这是基于挤压筒在其径向上不可避免存在由内向外递减的压力梯度[6-8],在数值模拟的基础上结合经验进行修正,两者的比值A1A2确定为1.35～1.65。

图4 分流板结构示意图Fig.4 Schematic diagram of splitting plate

这样得到的流量与流速结果最佳,容易成型,各部位的流速容易趋于一致。

2.3 应力空间

由于模具中有一个比较大的模芯,在传统的结构中,上模受力后会产生较大的弹性变形,使模芯产生较大的挠曲,导致内外大、小模芯之间的壁厚变薄。为了保护内上模,保证大模芯不变形,在外上模与分流板之间设计间距为0.85～1.25 mm的应力间隙,即分流板与外上模平面贴合后,在对应内上模的部位留有间隙,这个间隙可取在分流板上或内上模上。这样的好处在于:在挤压过程中,金属首先触及的是分流板,分流板在金属的作用下,将不可避免会产生弹性变形,只要分流板设计有足够的强度,那么这种弹性变形产生的向下挠曲是几乎可以忽略的,那么,整个模具的受力将集中由分流板来承担,这是因为应力间隙的存在可减轻或避免分流板在向下发生挠曲时将力传递到内上模的端面上,从而降低了内上模分流桥所承受的力,和防止发生塑性变形。一方面分流桥受力的降低可间接提高模具的强度和刚性,另一方面,可消除或减小因内上模的弹性挠曲所产生的内、外上模配合发生变化而导致型材壁厚不均匀现象的发生。

2.4 上模结构

上模是由一个有16个小模芯的外上模与有1个大模芯的内上模通过镶嵌组成的,如图5所示。

图5 上模总成示意图Fig.5 Schematic diagram of male die

外上模的分流孔数为12个,其与分流板外层的4个分流孔相对应,即每1个分流板的分流孔金属负责供应3个外上模的分流孔的金属流量;也就是说每1个分流板分流孔的金属进入外上模后都将会“一分为三”进行二次分流,进入到其所对应的外上模3个分流孔中;同理,分流板内层的3个分流孔则对应内上模的6个分流孔。分流板内层的每个分流孔金属进入到内上模时,则会“一分为二”进行二次分流,进入内上模里,3个分流孔的金属最终分成6股金属进入内上模的6个分流孔中,并在模芯的颈部汇合,充满由模芯与下模组成的整个焊合室。将金属进行二次分流的目的是为了使金属分配更加均匀,以及使流速能趋于一致,尤其是减小内、外上模的分流桥宽度,将更有利于各股金属的最后焊合,以及各部位金属的流速趋于一致,这有利于保证挤压成型质量和产品的形状精度。经验表明:分流桥的宽度越小,分流桥下的金属流速与相邻部位的差异将越小[9-11],当分流桥宽度小于16 mm时,这种流速差异可忽略不计[12-13],这点对于保证内上模形成的产品内孔的形状精度是至关重要的。基于这样的原理,内、外上模的分流桥宽度分别取16 mm和14 mm。

上述分流孔的布置主要是解决挤压时金属的流量分配均衡与金属的挤压成型问题,但并没有解决模具制造难度大、周期长,以及模具误差累积大的问题。传统的模具,1个上模包含了大、小17个模芯,加工难度较大、耗时长,这也是造成挤压成型质量和产品形状与尺寸精度差的主要原因之一。因此,根据型材断面具有对称性的特点,在模具中采用镶嵌结构不但解决了问题且模具具有了互换性,可节省材料和减小制造工时。考虑到中心部位的模芯面积最大,因此,将传统上模内层的6个分流孔与中心大模芯从上模整体中分离出来,形成一个内藏镶嵌式大模芯的内上模,而16个小模芯则形成一个外上模,这就可使加工过程大大简化,大、小模芯的加工均可以车削或磨削作为主要的加工方式,同时16个小模芯可以设计成强度及刚性好的锥台式结构[14],而且可用车削的方式加工出来。外上模如图6所示。

同样,内上模的加工也可以大大简化,其分流孔和分流桥完全可以按照普通的分流模那样进行加工,而模芯则完全可以采用车削、铣削及磨削的方式。特别是分流桥的加工,可以采用铣削方式加工成水滴形,减小了分流桥下金属刚性区或流动死区的形成,并有利于分流桥两侧金属的焊合。而在内上模的大模芯上开设一个Φ54 mm的中心孔,是为了提高子内上模在热处理过程中的淬透性[15]。同时,考虑到内、外上模在镶嵌时外上模需要支承内上模,外上模必须有足够的支承厚度,根据理论计算与实践经验,支承厚度应大于25 mm,这样的结果是内、外上模组合后内上模的大模芯对应的焊合室深度必然会较传统模具增加,而使得内上模的大模芯周围可容纳的金属量也相应增加,这会提高挤压成型时内上模大模芯周边金属流动的静水压力,提高中心内孔在成型时的焊合质量,从而提高了产品的力学性能。内、外上模分开加工完成后再镶嵌组合在一起就组成了完整的一个上模。内上模结构如图7所示。

将上模设计成由内、外上模组成的镶嵌结构,简化了大、小17个模芯的加工,完全取消了电加工工序,模具的抛光和研磨的工作量也大为降低,节省了加工工时和昂贵的铜电极材料,关键是提高了模具的整体制造质量,大大降低了制造误差的累积,使制造精度同样具有与产品形状相应的“对称性”,因而可以保证产品最终的尺寸精度及形状精度符合生产要求。

2.5 下模结构

下模的结构主要包括工作带和焊合室。焊合室的轮廓依外上模进入下模焊合室前的分流孔的最大轮廓而设定,在分流桥的桥底设计桥墩[16],目的是减小分流桥的跨度,从而提高模具的抗弯强度。由于在外上模分流桥的宽度为16 mm,所以与传统下模选择带梯度工作带不同,采用等值工作带,取7 mm,这有利于保证金属流动的均匀性和外圆的圆度。另外,模孔的空刀结构采用二段分级和锥形出口的形式,这可以避免金属成型挤出模口时与模具发生擦碰而损伤表面。下模如图8所示。

图6 外上模结构示意图Fig.6 Schematic diagram of outer-male die

图7 内上模结构示意图Fig.7 Schematic diagram of inner-male die

图8 下模结构示意图Fig.8 Schematic diagram of female die

3 结果比较

对传统的仅由上模和下模二件式组成的模具与内外上模镶嵌三件式分流挤压模的使用情况进行跟踪,两种结构的模具使用结果如表1所示。

表1 模具结构与挤压结果对比

由表1可知,内外上模镶嵌三件式分流挤压模,具有明显的优势,模具的制造周期大为缩减,模具寿命大幅提高。

4 结束语

对内外上模镶嵌三件式分流挤压模进行使用跟踪,数据表明:其制造周期相比传统的减少15天,制造的成本下降43.2%;模具最终寿命是传统的5倍,更为重要的是,在挤压过程中所出现的挤压力峰值相比传统模具下降约22%,型材各部位挤压流出模口的速度几乎一致,整个挤压过程平稳、顺利,挤出的型材质量大为提高,精度可达国标GB 5237的高精级,局部达到超高精级,解决了传统模具出现的诸如内孔出现椭圆和壁厚差异严重等形状精度及尺寸精度不达标问题,而且模具制造过程的电极耗材大为减少,节省了成本。

由此可见,对于大型水冷式铝合金电动机外壳型材,模具是关键要素。合理的模具结构是提高产品质量和降低成本的重要因素。采用三件式分流模结构,可充分发挥分流板的分流作用,降低挤压力,结合应力间隙的设计,最终提高模具的强度与寿命;合理的分流孔设计则是解决挤压成型效果的关键;而采用内、外上模镶嵌结构,则是解决制造及制造误差的关键。通过采用这些有效方法,可以简化模具的加工,缩短加工工时,更重要的是提高了模具整体的精度,减少了制造过程中误差的积累,并使模具具有互换性,从而降低成本和提高模具的寿命。因此,这种针对大型水冷式电动机外壳型材挤压生产的内外上模镶嵌三件式分流挤压模是值得复制和推广的。