发电机定子与转子冲片模具设计分析

摘要：通过对发电机定、转子冲片冲压成形工艺进行分析，在初样、单件小批量发电机研制过程中，对不确定是否有后续产品的情况下，可借用成熟产品的成形模，在保证质量的同时节省研制成本。在转子冲片模具设计中，尽可能减少模具的投放数量和减小模具外形尺寸，利用2次定位和4分度棘轮机构进行分步冲制，模具结构相对简单，便于安装调试和维修，节约模具设计与制造成本，具有合理的经济性。

关键词：发电机；转子；冲片；冲模；2次定位；棘轮

引言

某发电机是新研发的产品，是否有后续产品具有不确定性，公司要求研发人员在设计过程中尽可能借用原有成熟产品的模具零部件，节省模具设计与制造成本。经反复计算确认后，将定子冲片作为借用成熟产品的模具零件可节省3副模具，包括1副定子冲片落料复合模、1副转子冲片落料模和1副定子冲片冲模。定子冲片冲孔、落料复合模在定子冲片外圆（图1中ϕ350mm）落料完成的同时将转子冲片的轴孔（图2中带斜键槽的ϕ70mm）冲压成形；转子冲片落料模完成转子冲片外圆所需毛坯料（图1中ϕ240mm）；以冲制好的转子冲片轴孔定位，冲制转子冲片的其余各孔及缺口，其模具相对小很多，可以缩短模具设计、制造周期，降低制造成本，具有良好的经济性。

1工艺分析

定、转子冲片零件尺寸分别如图1、图2所示，材料为冷轧硅钢片DW470-50，厚度均为0.5mm，毛刺公差≤0.05mm，各槽形公差H10，定、转子在电机装配中单边间隙为不均匀间隙，最大处间隙为1.8mm，最小处间隙为1.2mm，为初样、单件生产[1]。由于定子冲片借用原有成熟零件模具即可完成加工，在成形定子冲片的同时可将转子冲片的轴孔及外圆毛坯冲制完成，只需新增转子冲片方孔、圆弧冲模和阻尼孔、缺口冲模2副模具即可完成转子冲片的加工。在新增的方孔、圆弧冲模中，充分利用2次轴孔定位保证模具强度和使用寿命；在增加的阻尼孔、缺口冲模中采用4分度棘轮机构可减少凸模的数量，使整个模具的外形尺寸相对于整体冲模外形尺寸减小了3/4，有利于模具的整体装配和调试，提高模具的质量，节约模具设计与制造成本，在保证产品质量要求的同时具有较好的经济性。

2模具结构方案的确定及特点

通过对定、转子冲片结构的分析，考虑产品为初样、单件生产的要求，确定定、转子冲片的加工工艺方案为：第1步：定子落料复合模冲制定子冲片外圆ϕ350mm及转子冲片带斜键的轴孔ϕ70mm；第2步：以带斜键的轴孔ϕ70mm定位在高速冲槽机上冲制42个定子冲片的槽形；第3步：转子落料模冲制转子冲片外圆所需毛坯料ϕ240mm；第4步：以带斜键的轴孔ϕ70mm定位冲制转子冲片上16个方孔及4段不同心的圆弧；第5步：采用4分度棘轮机构，以带斜键的轴孔ϕ70mm定位冲制转子冲片上的16×ϕ8.3mm孔、24×ϕ6.2mm孔及4个缺口。前3步方案借用原有模具完成了定子冲片的冲制，同时完成了转子冲片轴孔和外圆毛坯料的冲制，节省了大量的生产时间，降低了生产成本。现针对后2步方案模具设计的经济性进行分析。（1）第4步是以带斜键的轴孔ϕ70mm定位冲制转子冲片上16个方孔及4段不同心的圆弧。由图2可见，冲制16个方孔和4段不同心的圆弧，难点在于每个方孔之间的距离只有1.5mm，方孔距离两侧边的间距为1.65mm，若想一次冲制完成对于模具的强度和使用寿命影响很大，加工难度大，考虑分成2次定位后冲制，让每4个一组的方孔分成2次冲制，以延长模具使用寿命。综合考虑后采用2次定位，2次定位的方向相差180°，16个方孔中的8个方孔凸模沿四周对称间隔布置，4段不同心的圆弧中的2个圆弧凸模呈90°方向分布，分2步完成冲制。第1次冲制全部完成后，定位轴及转子冲片顺时针方向旋转180°再进行第2次冲制。在该方案中充分考虑各方孔间的间距，合理布置各凸模的位置，通过更换定位轴和转子冲片方向，分2次完成全部方孔及不同心圆弧的冲制，减少模具的数量，降低模具的设计与制造成本，具有合理经济性[2]。凹模刃口位置如图3所示。（2）第5步是采用4分度棘轮机构，以带斜键的轴孔ϕ70mm定位冲制转子冲片上的16×ϕ8.3mm孔、24×ϕ6.2mm孔及4个缺口。采用4分度棘轮机构以带斜键的轴孔ϕ70mm定位，分4步冲制4个方向的阻尼孔及4个缺口，可以将整副模具外形尺寸减小3/4，降低生产制造成本。相对于整体冲制，模具凸模的数量由44个减少到11个，更有利于模具整体的装配和调试。模具中凸模数量越多则上、下模的间隙调整越困难，且凸模最小直径为ϕ6.2mm，易变形、断裂，采用4分度棘轮机构后分4步冲制可以解决凸模数量过多调试难度大、直径小易变形、断裂，更换和维修困难等问题，同时使模具整体尺寸减小了3/4，节约原材料成本和制造成本。相对于采用级进模或整体冲模的设计，模具结构复杂，外形尺寸大，增加模具设计与制造成本，不便于模具安装调试和后期维修、更换。采用2次定位分2次冲制和4分度棘轮机构分4步冲制方案解决以上问题，经济合理，满足前期研制要求。

3模具结构设计

3.1转子冲片方孔与圆弧冲模结构设计为保证凹模的强度和使用寿命，采取2次定位方式分2次冲制，2次定位的方向相差180°，第1次冲制8个方孔，方孔位置布置在四周，8个方孔凸模沿四周对称间隔布置，完成冲制后将定位轴拆开顺时针旋转180°后重新进行安装，转子冲片此时也进行顺时针旋转180°后进行第2次冲制，此时4个方向上的方孔完成全部冲制。同样，4个不同圆心的圆弧同时采用2次定位的方式，每次冲制2段圆弧，2段圆弧凸模呈90°方向布置，2次冲制后完成全部冲制。具体的方孔凸模、圆弧凸模位置及冲制过程如图4所示。模具结构如图5所示，模具上、下模座采用中间导柱模架，2组滚动式导柱导套导向，导柱导套及滚珠间的过盈配合能够保证整副模具的导向精度。模具采用弹压卸料板进行卸料，卸料板通过6个卸料螺钉将卸料橡胶与固定板连接，通过调整卸料螺钉即可调整卸料板的高度，方便安装拆卸。凸模材料选用常规的Cr12，与固定板紧配，调试后用螺钉紧固在上垫板上。在下模中增加销套16保证模具在维修后锥销与下模间的紧密度，进一步保证整体模具的质量与精度[3]。3.2转子冲片阻尼孔与缺口冲模结构设计由图2可见，转子冲片包含有16×ϕ8.3+0.0350mm孔、24×ϕ6.2+0.0350mm孔及4个缺口，如果采用整体冲制，凸模数量达到44个，会造成调试困难，且由于凸模最小直径为ϕ6.2mm，极容易变形、断裂。在使用过程中只要其中1个凸模出现磨损或损坏，则整副模具都需要重新调试，影响整体生产进度、增加制造成本。采取4分度棘轮机构可将凸模数量由44个缩减到11个，在减少凸模数量的同时，也将整副模具的尺寸减小了3/4左右，降低了材料和制造成本，提高了经济效益[4,5]。整副模具结构如图6所示，模具以带斜键的轴孔ϕ70mm定位，4分度棘轮、棘爪机构，分4步将4组阻尼孔及缺口冲制完成。棘轮、棘爪经热处理后硬度达到40~45HRC，4分度棘轮的齿形角度为60°，齿形采取线切割加工成形，保证4个齿形沿一周均匀分布。带斜键的定位轴与转子冲片轴孔配合间隙为0~0.01mm，保证4步冲制相对位置的一致性，满足转子冲片的质量和精度的要求。模具上、下模座采用后侧导柱导套导向，方便操作，导柱导套及滚珠间过盈配合能够保证整副模具的导向精度。各凸模材料选用常规的Cr12，间隙调试完成后小凸模和圆凸模采用环氧树脂整体浇铸固定，并在凸模上部修磨R1.5mm圆弧槽增加浇铸稳定性。固定板上加大环氧树脂浇铸环槽的面积及深度，进一步加强各凸模浇铸后的稳定性，防止凸模变形、松动。棘爪和弹簧通过螺杆安装固定在棘爪座内部，棘轮和棘爪调试到位后装入销钉将棘爪座固定在下模座上，保证棘轮与棘爪的相对位置不发生变化[6]。

4结束语

对于初样、单件生产，同时不确定是否有后续产品的发电机的定、转子冲片模具设计，在借用已有模具的同时，尽可能减少模具的投放数量，缩小模具外形尺寸，合理制定冲压工艺，充分利用多次定位、分步冲制，在保证产品成形质量的同时最大限度地降低模具设计与制造成本，提高经济效益。

参考文献：

[1]熊保玉.电机定转子成形工艺与模具设计[J].模具工业,2014,40(12):25-27.

[2]模具设计手册编写组.冲模设计手册[M].北京:机械工业出版社,1999:135-142.

[3]中国机械工程学会锻压学会.锻压手册第2卷冲压[M].北京:机械工业出版社,1993:83-95.

[4]姜银方,袁国定.冲压工程师手册[M].北京:机械工业出版社,2011:3,8-35.

[5]王孝培.实用冲压技术手册[M].北京:机械工业出版社,2011:48-53.

[6]杨春立.发电机定子与转子冲片模具优化设计[J].模具工业,2017,43(5):32-34.

作者：杨春立 崔付军 魏淑玲 单位：郑州金阳电气有限公司