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大弓高磁瓦成型的特点及模具设计

作者: 来源: 发布时间:2018/2/11 16:12:47  点击数:539
1 前言
由于烧结铁氧体硬而脆,靠磨加工来决定产品形状很困难,尽量使烧结坯件符合产品尺寸及形状,尽量少的磨削就能达到产品尺寸精度及表面粗糙度的要求,对大弓高(中心角大于120°)磁瓦来说尤其重要。
本文分析大弓高磁瓦生产压制和烧结的不同特点,从而探讨模具设计对大弓高磁瓦成品率的影响。
2 磁瓦压制过程中的定向磁场导致的密度不均匀及模具设计
对于瓦形磁体来说,有两种不同的取向方式,一种是沿径向辐射状取向,另一种是沿对称轴平行取向。对辐射取向磁瓦来说,沿其内弧表面测量,磁通密度分布呈马鞍形。成型这种磁体时,模具的成型部位应稍高一点,靠近成型磁场线圈端面,以利用端面的发射状磁场使磁粉定向。若使用高压泵注料,因注料压力大,上下冲头间距小,下冲头可抬高,也就是装料高度与压制高度之间差别较小,这也有利于沿径向辐射取向。还有一个重要方面,就是利用机械力,使悬浮在水中的磁性粒子沿径向呈辐射取向。对于沿对称轴平行取向磁瓦来说,沿其内弧表面测量,其磁通密度分布呈正弦状。成型这种磁体时宜将成型部位安排在成型磁场线圈的中部,以利用平行磁场使磁粉充分定向。这两种磁体装入电机后,前者的磁场利用率比后者高约20%,气隙磁通提高8.7%~11.8%,但后者转子转动比较平稳,抖动小。目前磁瓦成型时磁瓦凸面朝上,这样可充分利用成型磁场。
2.1瓦型模具模腔中磁场强度分布的不均匀性
磁瓦应用于电机的定子,要求内外两个弧面为同心圆,一般情况下,磁瓦内弧dbf面为磁瓦的工作面,它是由db+bf构成,外弧由cae圆弧构成,如图1a所示。充磁电流一定时,瓦型模腔内的磁场强度大小与上下模端面的距离成反比。由图1b可知,从e′f′到a′b′上下模端面的间距逐渐增大,而从a′b′到c′d′上下模端面的间距逐渐减小,因此瓦型模腔的中心e′f′磁场强度最高,向两边逐渐降低,到a′b′处达到最低值,然后又逐渐升高,磁场分布如图1c所示。磁场强度分布不同,导致不同部位取向度不同,中心部位(e′f′)取向度最好,c′d′处取向度也较好,a′b′处取向度最差。由于磁瓦各个方向上的收缩率不同,在压制和烧结时易产生裂纹,尤其对大弓高磁瓦情况特别严重。

成型压力方向与磁力线方向不平行,偏离中心线距离越远,磁力线偏离压力方向的夹角越大,并产生横向分力,成型毛坯因所受磁力不一致,所以使毛坯不同部位密度不均匀,在密度变化最剧烈处易产生裂纹,尤其是中心角大的磁瓦,在磁场效应、机械效应共同作用下,其主要裂区如图2所示。
2.2料浆在瓦型模具中装填的不均匀性
瓦型模腔中心磁场强度最高,边缘次之,a′b′处最低(图1),磁场强度越高对料浆的作用力越大,于是料浆倾向于聚集在磁场强度高的部位,这样毛坯中部密度较大,向两边逐渐减小,至c′d′处又增大,所以整个毛坯密度是不均匀的。在烧结过程中,密度高的部位,烧结收缩小,密度低的部位,烧结收缩大。烧结收缩不同不仅容易导致裂纹,而且不能保证产品的最终尺寸,影响产品质量。由于a′b′处附近密度低,烧结收缩率大而出现裂纹。

2.3解决办法和措施
(1)在b′d′处用青铜或其它不导磁材料代替导磁材料,尽量消除瓦型模腔内的磁场强度和磁粉装填的非均匀性的双重作用。
(2)在下冲头上部即工作部分焊接无磁钢,无磁钢需不同厚度即磁场强度高的地方厚一些,有意增大磁场气隙,可以适当改善磁场的均匀性。
(3)在尖角b′处加过渡圆,并使平台b′d′略有上翘(5°~30°,具体根据其中心角的大小来掌握)。
(4)采用下顶式压制或双向压制。对于浮动式模具来说,上模向下移动,下模不动,这种压制属于单向压制,采用这种方式压制成型,磁瓦的内弧面处在压制过程中不运动的下模部位,外弧处在压制过程中运动的上模部位,所以磁瓦的内弧部位比磁瓦的外弧部位密度低,这样会造成两种结果。第一,磁瓦的密度越大,则磁瓦的磁感应强度越高,磁瓦的工作面为其内弧,因这种方式压制内弧部位的密度低,因而降低了磁瓦工作面性能;第二,因为是上面吸水,所以外弧面先干,也增加了外弧处的密度,造成外弧面磁感应强度高,内弧面磁感应强度低,也影响磁瓦的工作性能。
下顶式压制时,压制过程中上模不动,下模向上顶出,即磁瓦内弧面为压制过程中的运动面,这样内弧密度可提高,配合上模吸水,使毛坯密度较为均匀,这就要求下模有加压功能。
双向压制,指压制过程中上下模均对料浆加压,磁瓦的内弧和外弧在压制过程中均为运动面,显然采用双向压制能使磁瓦密度均匀,双向压制要求压机具备上下油缸同时加压功能。
(5)针对磁场效应、机械效应产生的开裂,在设计磁瓦上下模时,内半径r、外半径r和中心厚度公差取上限,使内弧中心和外弧两侧加工余量多些,外弧中心和内弧两侧加工余量少些,即适当增大下凸模弧面半径,降低下凸模弓高,减小上模弧面半径,采用双线包成型磁场,此法特别适用于大弓高即中心角大于120°磁瓦的压制,效果极佳。
3 磁瓦压制中非压力方向的压缩比、密度不均匀性及模具设计
磁瓦模具的上模板和下凸模的成型面均为圆弧面,它与方块和环形产品的最大区别在于,磁瓦不但在压制方向上有密度差,而且在非压制方向(即弦长方向)也有密度差,经分析,除磁场影响外,磁瓦在非压制方向的密度差是由于在非压制方向上各部分的压缩比不同而引起的。
图3为磁瓦压制过程示意图。设成型后压坯外弧半径为r,内弧半径为r,在压制方向压坯顶部厚为h,偏离中心a处厚为h,压缩行程为δh,压坯外弧弦长为2l2,内弧弦长为2l1,则:


所以压坯厚度差:

(1)r、r一定时,δh随a的增大而增大,当a=l1时,δh为最大值;
(2)当r、a不变时,δh与r成正比;
(3)当r、a不变时,δh与r成反比;
从(1)式可知,当磁瓦模具r、r确定后,在压制方向压坯某处的厚度与顶部厚度之差δh只与偏距a有关。
因压缩行程δh在成型面上的各点都一样,假如浆料不能流动,则压坯顶部的压缩比和偏距a处的压缩比分别为:
顶部:s顶=(h+δh)/h=1+δh/h,
a处:sa=(h+δh)/h=1+δh/h,
则顶部与偏距a处的压缩比差:
δs=s顶-sa=δh/h-δh/h=δh(h-h)/hh=δh·δh/hh,
因为δh>0,所以δs>0。
设料浆初始密度为ρ0,则成型后压坯顶部和偏距a处的密度分别为:
ρ顶=s顶·ρ0,
ρa=sa·ρ0,
则密度差为:
δρ=ρ顶-ρa=(s顶-sa)ρ0=δs·ρ0,
即 δρ=(δh·δh/hh)·ρ0(2)
(2)式是在假设浆料没有流动性的前提下得出的结论,由于浆料具有一定的流动性,在压制初期,浆料的流动足以使各处的密度趋于一致。只是随着压制过程的继续,浆料含水量越来越少,流动性越来越差,最后不能流动,也就是在浆料流动性变差后才出现密度差,所以,实际顶部与距离a处的密度差小于δs·ρ0,即
0<δρ实际<(δh·δh/hh)ρ0(3)
以上分析表明,由于压坯顶部、两侧和底部在压制过程中有压缩比差,引起磁瓦压坯在非压制方向的密度差,即压坯顶部密度大于两侧和底部密度,图4中i-i为磁瓦压坯非压制方向的密度分布曲线。
从(1)、(3)式可以看到,磁瓦压坯在非压制方向密度差的大小(图4的i-i线)与具体几何尺寸(即内弧半径、内弦长、外弧半径、外弦长)有关。此密度差的存在,对产品的烧结是有害的,因为它使压坯烧结时各部位的收缩不同步,结果使磁瓦内部在烧结时产生内应力,易于产生烧结裂纹。此密度差的存在是磁瓦生产过程中比方块和环形产品废品率高的原因之一。所以,在模具设计时,应注意此问题,虽然不能消除此密度差,但应通过对模具尺寸和形状的设计来减小此密度差。现在模具设计采用的措施是:下凸模圆弧面与底平面连接处p(图3)采用圆弧面过渡,在不影响磨削加工的情况下,此圆弧可适当加大,这样可使p处压坯厚度(压制方向)减小,从而使p处压缩比增大,压坯密度增大。
上述措施只对磁瓦压坯圆弧面与底平面连接处的小部分范围内的密度有所改善,对其它部位的密度改善没有作用,根据以上对磁瓦压制过程的特点分析,还可采取下列措施来减小磁瓦压坯顶部与侧部、底部的密度差,即采用上节(2)和(3)条的方法也能很好地解决。

在设计上采用以上措施,可有力地改善磁瓦非压制方向的密度分布,减少开裂,提高成品率,改进设计后磁瓦非压制方向的密度分布,如图4的ⅱ-ⅱ线。
4 磁瓦烧结过程中的特点及模具设计
磁瓦烧结过程中的特点是各方向的烧结收缩系数除了与材料和生产工艺有关外,还与产品的几何尺寸有关,这一点与方块和圆弧类产品不同。
湿压磁瓦一般采取近似沿径向的辐射取向方式。理论证明,辐射状取向的环形磁体在烧结收缩过程中不同步,内外径收缩导致的差值大小与压坯的几何尺寸及产品的磁性能有关,这是磁瓦直径收缩系数和弦向收缩系数大小与磁瓦的几何尺寸有关的原因之一;另一方面,如前面分析,由于磁瓦在成型过程中在非压制方向上不可避免地会形成压坯顶部密度与侧部、底部的密度差,且此密度差的大小与压坯的几何尺寸有关,此密度差的存在,也引起压坯顶部与侧部和底部在烧结过程中的收缩不同步,致使磁瓦的各方向的收缩系数与其几何尺寸有关,在生产中发现,横向(磁瓦的高度方向)上,磁瓦顶部收缩系数比侧部和底部小,且中心角较大的磁瓦压坯和内外径比较小的磁瓦压坯,其径向收缩系数和弓高收缩系数都较大,这些都说明磁瓦各方面收缩系数与几何尺寸有关。
磁瓦烧结时各方面的收缩不同步,将使磁瓦在烧结时产生内应力,当此内应力超过产品的抗拉强度时将导致裂纹出现,形成烧结裂纹,因此在模具设计时,不仅应该考虑磁瓦的烧结收缩率与几何尺寸之间的关系,而且应该考虑各部分尺寸之间的关系,尽量减小磁瓦在烧结收缩时产生内应力。这样,在模具设计时,对磁瓦压坯各部分的设计尺寸将要做适当的调整,尺寸的调整虽然会使磨削量增加,但能减少烧结裂纹,提高成品率,因而应加以考虑。
设计尺寸的调整主要是内外径比值和内弓高的调整,实践证明,内外径比值减小,其烧结收缩系数差值减小。前面对压制过程特点的分析也提到,增大压坯内弧半径,减小外弧半径,降低内弓高有利于磁瓦非压制方向的密度差的减小。所以,在适当范围内应采用这些措施,使磁瓦各方向的烧结收缩趋于同步。
现在生产的磁瓦中心角大多小于120°,烧结开裂不很突出,当磁瓦中心角大于120°时,烧结开裂将明显增加,因为此时各方面烧结收缩量差异的绝对值较大,使烧结产品的内应力较大,这时模具设计中对磁瓦各部分尺寸的设计选择变得越来越重要,设计时应尽量采用降低烧结内应力的设计方案。
5 结束语
由于磁瓦压制、烧结的不同特点,磁瓦模具的设计不能简单地套用方块或圆环类产品的设计思路,必须针对磁瓦的具体几何尺寸选用不同的放大系数,必要时,还需将设计尺寸做适当调整,以使磁瓦烧结时各方向的收缩趋于同步,降低产品烧结时产生的内应力,提高产品的合格率,同时对烧结坯件形状设计还应考虑是否对磨削有利。

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