陈 锋，詹顺余

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

硅钢片有良好的磁导率，常用来制造电机定、转子铁心冲片。硅钢片在轧制过程中受生产工艺和制造设备的限制，硅钢片的板厚不可避免地存在一定偏差。在定子铁心压装过程中，如果每一张定子冲片都按照同一个方向堆叠，将会造成定子铁心在圆周上质量分布不均匀、各处磁导率不相同，磁场强度相差较大，从而造成电机运行中噪声、振动、温升等指标异常，影响电机的制造质量。因此在冲片设计制造过程中，通常要求冲片循环换位冲制，克服硅钢片厚度偏差，最大限度保证压装后定子铁心质量分布均匀、各个方向上力学性能相同、磁场分布均匀。

常规剪冲工艺，定子圆片冲制分为两道工序：(1)圆形片落料；(2)冲片经人工旋转一定角度冲制定位键槽。按照该工艺方法，工作效率低，工作量大，费时费力，而且容易出错，不利于产品流转。于是提出了将落料与冲槽两道工序合并为一道工序，设计可换位冲槽定子圆片落料模。该模具在传统落料模的基础上，增加了可换位键槽凸模，文中主要介绍可换位键槽凸模模块的设计。

1 模具键槽凸模的设计

1.1 键槽凸模设计方案

根据冲片工艺要求，提出模具设计思路：在复试落料模的基础上，增加可换位键槽凸模模块，相邻两个换位键槽的夹角设计为90°。模具工作时，第一张冲片键槽位于Y轴正方向，第二张冲片键槽位于X轴正方向，第三张冲片键槽位于Y轴负方向，第四张冲片键槽位于X轴负方向……(图1)，如此实现循环换位冲制。冲片压装时，相邻的两张冲片相差90°，避免由于冲片板厚偏差而导致的质量问题。

图1 循环换位冲制示意图

1.2 键槽凸模机械部分设计

1.2.1 键槽凸模模块的结构

键槽凸模模块包括气动斜楔组件和凸模组件两部分(图2)，气动斜楔组件包括气缸、气缸固定板、斜楔等，凸模组件包括键槽凸模、固定板、弹簧、调节环等。气缸顶出时，带动斜楔将凸模顶出，气缸缩回时，带动斜楔缩回，凸模组件内的压簧将键槽凸模压回至初始位置。压簧存在一定的预压力，键槽凸模(上模)不会因为重力的作用而掉落，同时更换修理键槽凸模也十分方便。

图2 间歇工作原理

1.2.2 间歇工作原理

模具设计过程中，在中心线上四个方位加入四个键槽凸模，每一次冲制只有一个键槽凸模处于工作状态。整个机械结构，最重要的是实现键槽凸模的间歇工作(图2)。键槽凸模的初始位置低于模具工作刃口平面，处于非工作状态，当机床滑块下行，通过磁性传感器触发一次指令，控制打开气阀，第一处气缸顶出，同时顶出斜楔，斜楔作用于键槽凸模底部滑块，将键槽凸模顶出，此时，键槽凸模在模具工作刃口平面内，处于工作状态，完成一次冲槽。当机床滑块第二次下行时，再次触发指令，第一处气缸活塞缸缩回，带动拉回斜楔，键槽凸模在凸模组件内部弹簧作用下，使凸模回到原始位置，同时第二处气缸顶出，第二处键槽凸模处于工作状态，第一处键槽凸模处于非工作状态。键槽凸模的工作状态与非工作状态存在6 mm高度差，两次触发实现了工艺键槽的间歇工作。

1.3 气缸的选用

气缸是实现键槽凸模间歇工作、换位的动力元件，其作用是保证模具的正常换位而不影响其他各部分元件的正常工作。在试验时，上模座按图3示意安装放置，气缸在推进过程中，克服斜楔自重和压簧压力产生的摩擦阻力，达到最大行程。

图3 气缸调试图

根据设计参数：

斜楔质量m=ρV=1.421 kg，

斜楔自重G=ρVg=14.21 N，

其中ρ为斜楔材料密度；V为斜楔体积；g为重力加速度。

斜楔工作时根据斜楔机构力学矢量图(图4)，可以得到：

图4 受力示意图

弹簧的最大回复力P=44.1 N，滑块斜面角度为α=30°，求得垂直于斜面的作用力Q=88.2 N。

斜楔斜面角度β=60°，可以求得水平推力F=76.4 N，底面支撑力V=44.1 N。

根据表1，选择静摩擦系数μ=0.15，最大静摩擦力f=μ(G+V)=5.8 N。

表1 摩擦系数表[1]

模具触发信号发出到执行到位的时间间隔t=0.2 s，

气缸需要提供推进力F总=F+f+F动=84.7 N。

根据公式：F总×S=P气，因此可以求得：

在0.4 MPa的工作压力下，忽略活塞杆的直径d，计算得气缸内径的理论值D=16.42 mm，气缸的安全系数为1.5，因此，选用缸径Φ25 mm的气缸，能够满足工作要求[2]。

模具在实际工况下，上模座翻转放置，弹簧回复力与斜楔自重抵消掉一部分，实际的气缸推动力将比试验时要小。

1.4 键槽凸模电气部分设计

1.4.1 智能控制装置范围和用途

键槽凸模的间歇工作通过智能控制装置来实现。智能控制装置由气动执行元件(气缸)、磁性开关、气源处理元件、气动控制元件(方向控制阀)、PLC、接近开关等元件组成， 实现可换位冲键槽定子圆片落料模在冲床冲次在25～30次/min情况下，完成4个键槽凸模循环连续冲制冲片，并实时监测模具状态，出现故障及时停机。智能控制装置的控制系统由两个部分组成：(1)PLC程序，用来检测1号到4号气缸顶出和缩回时是否到位。(2)指示灯，用来循环显示1号到4号气缸的状态。

1.4.2 智能控制装置功能

智能控制装置能够实现3个工作模式。具体要求见功能图(图5)。工作模式一：4只气缸全部顶出，检测气缸与键槽凸模是否工作正常。工作模式二：4只气缸全部缩回，检测气缸与键槽凸模是否工作正常。工作模式三，从1号气缸至4号气缸依次开始工作，能够实现异常报警。工作模式中气缸动作由接近开关或机床上死点信号触发，也可以手动按钮触发。为满足不同机床的工作条件，智能控制装置在“接近开关触发或手动按钮触发”与“机床上死点信号触发或手动按钮触发”这两种不同的状态下控制气缸动作。在机床滑块上死点向下运行时触发接触开关，测试发现气缸未到位时发出警报和机床急信号。

图5 智能控制装置工作模式

1.4.3 系统功能定义

(1) 系统控制I/O定义为

X0： 1号气缸伸出， Y0： 1号气缸伸出；

X1： 1号气缸后退， Y1： 1号气缸缩回；

X2： 2号气缸伸出， Y2： 2号气缸伸出；

X3： 2号气缸后退， Y3： 2号气缸缩回；

X4： 3号气缸伸出， Y4： 3号气缸伸出；

X5： 3号气缸后退， Y5： 3号气缸缩回；

X6： 4号气缸伸出， Y6： 4号气缸伸出；

X7： 4号气缸后退， Y7： 4号气缸缩回；

X10： 冲床下降， Y10： 故障报警；

Y11： 冲床下降。

(2) 电气控制柜

控制柜内部分为电路部分和气路部分，能够进行手动操作和柜上信号监视。

(3) 系统操作方式的转换

智能控制装置中各个分系统相对独立，相互无逻辑连锁，使手动、自动运行转换能顺利进行。正常运行时均至自动位，当设备自动运行出现故障状态时，将该分系统转换开关至手动位，手动起停相应设备。其余设备仍自动运行，整个系统稳定、可靠。

2 机床试冲

模具装配完成并且完成智能控制装置的调试后，在剪冲分厂龙门冲床上进行了试冲(图6)，气动元件通过冲床滑块的上下移动触发，在4 kg压力下，完成一个循环的冲制，其余各模块能够正常工作，冲片(图7)各部分尺寸及毛刺均满足工艺要求。

图6 模具试冲

图7 试冲冲片

3 结论

(1) 模具的成功研制，实现了一副新结构的模具代替两副传统结构的模具，达到了定子圆片落料和冲槽合为一道工序目的，极大地降低了模具制造成本，减少了剪冲工序，加快了生产流转，提高了生产效率。

(2) 模具制造中，引入了PLC以及气动元件，实现了模具电气自动化，为以后新模具的研发提供了思路。

(3) 模具制造取得了一定的成功，但是由于新模块的加入，在模具防锈，机械元件润滑等尚有不足之处，需要不断完善，模具刃磨时需要增加防护措施。