核能汽轮发电机转子铜线通风孔冲模优化设计

2025-07-12 52 上传者：管理员

摘要：介绍了核能汽轮发电机转子铜线通风孔冲模的优化设计，通过提高冲模刚强度、改变凸模刃口形式及表面处理工艺、缩小间隙、加大卸料板卸料力来解决铜线冲裁区塌陷及长度方向侧弯的问题，并显著提高了冲模寿命。

关键词：
冲孔模
冲裁区形变
模具寿命
汽轮发电机
转子铜线
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1、引言

我公司研制的核能汽轮发电机转子铜线的通风孔是采用模具冲裁加工,由于是国内首次冲裁6mm厚,9,000mm长的转子铜线,并且铜线孔宽与厚度比例远超冲裁极限,同时尺寸精度也高于常规机组,因此,转子铜线通风孔冲裁是该机组的难点及产出瓶颈｡首副模具历时3个月的试模,均未成功,说明原冲模结构已无法满足核能汽轮发电机产品的技术要求,为了攻克该技术难题,研制出了一副全新的冲模｡

2、制件介绍

一台某型号的核能发电机转子铜线(见图1)制造数量将近1,300根,每根铜线有98对孔,铜线厚度为6mm,长度9,000mm左右,线宽A有两种规格,冲孔除常规尺寸要求外(见图2),还要求冲裁后厚度塌陷及增厚≤0.03mm,宽度A涨宽≤0.06mm,铜线无压痕,长度方向无侧弯｡

3、工艺性分析

根据冲压工艺学要求,冲制腰形孔的孔宽a不宜过小,其最小孔宽与材料的力学性能､材料厚度等有关,对于本次冲制的铜线,经查询确认理论孔宽a应当≥0.6(tt为材料厚度)[1],即孔宽a最小值应不小于3.6mm,而制件孔宽为3.0mm,远小于最小取值,所以,本次制件的冲孔工艺性不好,难度极大｡

图2转子铜线通风

4、原模具冲制存在的问题

(1)冲制后的铜线冲裁区表面存在塌陷,最大高差达0.14mm,影响后续转子叠装精度｡

(2)冲制过程中出现铜线沿长度方向发生侧弯,影响后续转子下线｡

(3)凸模TD处理后会产生变形,合格品较少,尺寸精度无法满足核电转子铜线冲制要求,并且冲制过程中会发生中间开裂､固定止口拉断等情况,降低了冲模的使用寿命｡

(4)凸模更换过程繁琐,且造成模具精度失准｡

5、应对措施及改进方案

5.1解决铜线冲裁区塌陷

(1)提高模具的整体刚性｡

经分析发现,冲制过程中由于冲裁力较大,下模会存在微量弹性变形,造成铜线冲裁区表面塌陷｡因此,在原模具(见图3)的基础上将下模垫板､底板､下模垫脚去掉,同时增加下模座厚度,并将导柱直径加粗,从而提高模具刚性,使其冲裁性能更加稳定,图4所示为改进后模具结构图｡

图3原模具结构

图4改进后模具结构

(2)凸模刃口形式的改进｡

原凸模为平刃冲裁(见图5),瞬时冲裁力大,造成冲裁性能失稳,改进后的凸模为阶梯冲裁(见图6),瞬时冲裁力小,模具的冲裁性能更加稳定｡

图5原凸模

图6改进后凸模

(3)调整模具冲裁间隙｡

经过分析发现,冲裁过程中废料的挤压流动也会造成冲裁区塌陷,因此冲裁间隙的选取也很关键｡原模具冲裁间隙为单边0.25mm,铜线冲裁区最大塌陷为0.14mm,因此,将模具冲裁间隙减小,从而增大材料向下流动的阻力,经过多次试验,采取不同间隙进行对比,最后确定单边间隙为0.18mm时冲裁区塌陷最小｡

(4)卸料板结构的改进｡

卸料板的拉紧等距螺杆在频繁冲制后会产生磨损,从而失去定距作用,造成卸料板平面度下降,冲裁时铜线会产生缺陷｡因此,在原模具的等距螺杆上增加定距管,定距管经淬火处理,强度高,不易磨损,可以保证卸料板冲裁时一直平行于工作面,同时加大卸料板的压料力,由原来的2.8t增加到现在的5.4t,以增加铜线冲裁区变形的阻力｡

5.2解决铜线长度方向侧弯

增加下楔紧块长度,使冲制过程中下楔紧块对铜线的夹持更加稳定,同时提高上下楔紧块制造精度,保证上下楔紧块导向斜面角度的一致性,从而使铜线从拖拽､夹持､压紧､冲裁整个过程中两侧受力均匀一致,从而避免受力不均出现的长度方向侧弯问题｡

5.3凸模材料及表面处理的改进

原模具凸模材质为Cr12MoV,表面进行TD(热扩散涂层工艺)处理,但TD处理后会产生变形,尺寸精度无法满足核电转子铜线冲制要求,而且原模具在冲制时经常出现凸模中间开裂(见图7),凸模固定止口被拉断(见图8)等情况｡后将凸模材料改进为韧性更好的粉末冶金合金钢Caldie,表面采用PVD(物理气相沉积)处理,凸模变形得到了有效控制,尺寸精度得到了提高,凸模也再未出现断裂的情况｡表1所示为TD与PVD两种表面强化工艺的对比[2]｡

图7凸模开裂

图8凸模固定止口断裂

表1TD与PVD的对比[2]

5.4实现凸模的快速更换

原模具更换凸模要将上模所有零件进行拆卸,更换完凸模后再重新装配复位,在频繁的拆装过程中会造成定位销及插刀等零部件受损,从而造成了模具精度失准｡改进模具后,用垫块和盖板替代模座垫板和硬垫板,如需更换凸模,只需将盖板取下,即可直接更换,这样就实现了凸模的快速更换,缩短了修模时间,并且保证了模具精度不会因频繁拆装而受到损失｡

6、结语

通过多次的试模改进,最终冲制出了合格产品,检测产品所有几何尺寸均满足设计要求,并且长度方向无侧弯,冲裁区域塌陷及增厚均小于0.03mm,铜线无压痕,转子铜线叠装厚度等均满足产品设计要求｡改进后的模具凸模冲裁次数在12万次以上,在冲裁质量､冲裁数量及生产效率方面,均达到国内一流水平,并且模具寿命是传统铜线冲模平均寿命的10倍以上｡

参考文献:

[1]周斌兴.冲压模具设计与制造(第1版)[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2]王孝培.冲压手册(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2011.

文章来源:苏礴,薛艳伟,马开明.核能汽轮发电机转子铜线通风孔冲模优化设计[J].模具制造,2025,25(07):5-7.