浅谈磁极的精密锻造成形及数值模拟

摘 要：分析了磁极锻造成形的特点，对传统锻造工艺进行改进，制定热锻和冷精整相结合的反向挤压新工艺。基于DEFORM-3D软件，应用刚塑性有限元算法对磁极精密锻造成形新工艺进行数值模拟，得到锻造过程中材料的流动状态和等效应变分布规律。

关键词：磁极；精密锻造；数值模拟

中图分类号：TG31 文献标识码：A

磁极是汽车交流发电机上的重要元件，由于交流发电机的电动势波形近似于正弦曲线，磁极的形状和电磁性能直接影响交流电动势的波形，因此磁极做成六个尖齿状，其形状和尺寸如图1所示。该零件形状比较复杂，极尖部分只有5mm宽，高度28.8mm，比较细小，金属塑性成形时型腔较难填充满。

1.磁极的精密锻造工艺

该零件早期采用铸造工艺，生产出的磁极存在缩孔、疏松、偏析等缺陷，严重影响磁极的电磁性能，不能满足其性能要求。根据零件形状，采用塑性成形时材料由中间向四周流动，最后填充六个极爪部位。传统的磁极锻造工艺为：下料加热镦粗预锻终锻切边机加工，该工艺工序复杂，材料利用率低且预锻型腔和终锻型腔较难配合，在终锻时容易出现折叠和型腔填充不满。

改进后的磁极精密锻造工艺为：下料加热墩粗反挤压成形热切边余温正火磷化皂化处理冷精整。反挤压成形时采用异形冲头，如图2（a）所示。塑性成形时，随着冲头的下压材料被异形冲头的六个凸台分成六份，继续下压后材料受阻于凹模内壁，转而向与冲头运动相反的方向流动，填充六个极爪。由于下料体积尺寸的误差、模具的加工精度、毛坯温度和模具温度的波动等种种因素的影响，很难保证下料体积与模具型腔体积相同，因此在异形冲头的六个凹形底部加设1mm深的溢流腔，可以抑制锻造结束时变形抗力的无限增大，提高了模具寿命。利用锻后余热进行等温正火，可省去一次退火加热，降低了能耗和生产成本。

2.磁极精密锻造的数值模拟

本文采用DEFORM-3D软件，对磁极的精密成形过程进行模拟。根据零件的对称性，取毛坯的1/12做模拟计算，磁极材料为15钢，锻造温度为1100℃，模具与坯料的摩擦系数设为0.3。磁极的变形过程如图3所示，坯料镦粗后，被异形冲头的六个凸台分成六分，冲头继续下压，材料受阻于凹模内壁向上流动填充磁极的极爪部位，由于异形冲头凹腔底部设有1mm深的溢流腔，因此极爪尖部不够平整，在冷精整后可达到要求。由图4和图5可知终锻时应变和应力的最大值分别分布在磁极的极爪的侧面和顶部，这说明磁极在成形时六个极爪部分极难填充，在加工模具时，要提高模具型腔精度，利于极爪部分的填充。

结语

通过DEFORM-3D软件对磁极精密锻造成形过程的模拟，得到了材料的填充规律、应力和应变的分布状态，成形后极爪填充饱满，无折叠等缺陷。采用精密锻造技术及能提高产品质量，又能提高材料利用率，缩短成品周期，经济效益显著。

参考文献

[1]陈渝光. 汽车电器与电子设备[M]. 北京：机械工业出版社，1999.

[2]蔡利，胡亚民，车路长. 电磁纯铁的锻造及冷成形性能研究[J] 汽车工艺与材料，1998（9）：25-28.

[3]Xie Tan， Jia Dewei，et al. The Application and Development of Precision Plastic Forming Technology in China. The Seventh Asia Symposium on Precision Forging. Guilin. China ，2000：1-5.

[4]张韶华，张猛. 交流发电机转子磁极锻造工艺研究[J]. 农业机械学报，2003，34（3）：122-123.

[5]张猛，黄进富. 汽车用交流发电机磁极的净形加工新工艺[J]. 锻压技术，2003，（1）：6-8.

[6]高永超，华林，赵玉民等. 汽车发电机磁极精锻成形三维有限元模拟和工艺优化[J]. 中国机械工程，2005，16（12）：1110-1113.

[7]夏巨谌，典型零件精密成形[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[8]洪慎章，曾振鹏. 磁极高速温挤压工艺及模具设计[J]. 热加工工艺，2000（4）：32-33.

[9]原国森，辛选荣，刘汀等. 汽车发电机爪极精密成形新工艺[J]. 锻压技术，2009（2）：26-29.

[10]田福祥. 先进锻模56例设计应用评析[M]. 北京：机械工业出版社，2011.