電機轉(zhuǎn)子入軸液壓壓力機研制及機身計算機輔助三維設計

周錦添

（廣東工程職業(yè)技術學院，廣東廣州 510520）

0 引言

我國多年來十分重視制造技術提高與改造，引進了大量先進技術和設備，電機行業(yè)的電機生產(chǎn)和測試目前已經(jīng)初步具備了大規(guī)模自動化生產(chǎn)的特點。就區(qū)域及企業(yè)發(fā)展情況看，市場需求旺盛及占據(jù)地理優(yōu)勢的沿海地區(qū)和企業(yè)發(fā)展尤為迅速，電機生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量占全國80%的廣東、浙江、江蘇三大省份在未來競爭中具絕對優(yōu)勢。

雖然中國已成為世界電機的生產(chǎn)大國和出口大國，但生產(chǎn)自動化程度比較低、技術含量不高，許多技術含量高的設備，目前仍處于依賴進口的狀態(tài)。近幾年，中國電機自動化制造設備實用率也有了超速的提高，但在設計裝備上與發(fā)達國家相比仍然處于弱勢。就長期發(fā)展趨勢看，未來10年中國電機行業(yè)重點發(fā)展的是自動化生產(chǎn)制造設備，如：電機鐵芯片高速自動沖床、電機轉(zhuǎn)子入軸機、電機轉(zhuǎn)子自動繞線機、電機轉(zhuǎn)子整流子自動焊接機、定子鐵芯自動氬弧焊設備等等?；谧詣踊O備的引進、消化、吸收，從設計上要緊貼國際先進水平，針對電機自動化生產(chǎn)工序之一電機轉(zhuǎn)子入軸工序，研制一種自動入軸的自動化設備，并在設計上提出一種基于計算機三維軟件設計電機轉(zhuǎn)子鐵芯入軸小型液壓壓力機的模式，采用SolidWorks三維繪圖軟件，直觀、高效地設計壓力機主機結(jié)構(gòu)和液壓站，并根據(jù)不同技術要求，利用計算機輔助三維軟件的強大功能，快速地改變主機、夾具和小型液壓站的設計。

研究電機轉(zhuǎn)子入軸液壓壓力機計算機輔助三維設計，正是為了達到電機生產(chǎn)系列設備的高效設計，快速研制出入軸設備，推廣電機的自動化生產(chǎn)，提高電機行業(yè)自動化設備的設計水平。

1 入軸設備總體方案確定

1.1 入軸設備總體方案

在各類電機中，微電機、分馬力電機的轉(zhuǎn)子軸徑大多＜18 mm，軸長＜300 mm。經(jīng)過試驗，轉(zhuǎn)子軸與轉(zhuǎn)子鐵芯孔裝配時最大下壓力為20 000 N，下壓過程時間為4 s。因此，機器應采用液壓系統(tǒng)，具有壓力穩(wěn)定，下行運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子軸向定位精確，質(zhì)量穩(wěn)定可靠等特點。確定機器為小型液壓壓力機，液壓缸下行時間為4 s，液壓缸下壓力為30 000 N，液壓缸最大行程為300 mm，為垂直上下運動，需要獨立的液壓站設計。

國內(nèi)外大多數(shù)自動化程度高的微電機、分馬力電機在轉(zhuǎn)子入軸機上壓軸工序如下：人工或自動分疊好轉(zhuǎn)子硅鋼片鐵芯厚度——裝夾在壓力機工作臺上——按設計圖紙鐵芯槽方向夾緊鐵芯——按圖紙要求將轉(zhuǎn)子軸的上下方向裝夾在具有自動夾緊功能的壓頭上——啟動液壓缸動作帶動壓頭下行——軸壓入鐵芯孔的自動裝配過程——入軸到位并壓力保持過程——壓頭返回上行至停止——取出入軸的轉(zhuǎn)子鐵芯（工件）——重復下一入軸工序。因此，壓入軸的整個過程是自動完成的。

1.2 確定主要技術參數(shù)

（1）工作壓力可調(diào)，最高16 MPa，下行速度可調(diào)；

（2）軸芯定長壓入；

（3）裝壓力最大30 000 N；

（4）最大行程300 mm；

（5）額定輸入壓：三相五線380 V；

（6）額定功率：4 kVA；

（7）機體外形尺寸（mm）：420（寬）×700（高）×475（長）；

重量：約150 kg。

1.3 液壓壓力機的動作流程

入軸設備設計方案整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，自動控制流程方案如下：（1）初始狀態(tài)（液壓缸上位狀態(tài)）→（2）按啟動按鈕，油泵電機啟動，同時低壓電磁閥同時得電→（3）液壓缸開始下行，時間繼電器開始計時→（4）壓軸到位，保壓時間計時停止→（5）低壓電磁換向閥得電，液壓缸快速返回→（6）返回到位，碰快壓緊電器限位行程開關→（7）電磁閥復位，處中位卸荷，完成一個壓軸過程。

手動控制時，設手動控制三位旋鈕1個，分別控制主機油缸上升、停止、下降。液壓缸動作可設為點動，主要用于安裝調(diào)試時操作方便，不作為工作使用。

2 液壓機機身結(jié)構(gòu)的三維設計

2.1 液壓機機身結(jié)構(gòu)確定

液壓機機身結(jié)構(gòu)有立式和臥式兩種，立式機身結(jié)構(gòu)又有單柱式、雙柱式和四柱式，小型液壓機機身結(jié)構(gòu)適合采用整體單柱式結(jié)構(gòu)，本設計最大裝壓力較小，僅為30 000 N，因此，結(jié)構(gòu)采用整體單柱式“C”型焊接式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其上部懸臂梁設計主要有液壓缸安裝孔，中部設計成四塊立板拼焊而成的空心方立柱，下部梁為液壓機工作臺面，面板上設有“T”型槽和落料孔，供安裝夾具使用。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點是可三面為工作區(qū)，裝拆夾具及工件方便，特別適合電機壓軸工序，缺點是液壓缸帶動下行機構(gòu)，下行機構(gòu)無精確定位。但為彌補下行精確定位，機身設計增加了直線導軌導向滑動機構(gòu)。為防止上部懸臂梁受力變形，影響工作精度，在方立柱兩側(cè)面，增加兩筋板，以增強剛度。如圖1所示為三維實體設計。

2.2 三維建模，實現(xiàn)快速的參數(shù)化設計

為解決生產(chǎn)制造的困難，同時也為適應電機軸身長度和軸徑大小不同，要求機身閉合高度和落料孔的變化，設計時采用了SolidWorks三維繪圖軟件建模，建模時采用零件造型功能和裝配造型功能建立三維結(jié)構(gòu)模型[1]，模型設計成模塊式分體機身結(jié)構(gòu)。三維分體式機身結(jié)構(gòu)裝配體由多個板形零件裝配成型，每個零件的幾何形狀及裝配關系都和其他零件相互關聯(lián)。

采用三維建模，上部懸臂梁、中部方立柱和下部工作臺面需建立模板庫，模板庫由不同結(jié)構(gòu)形式和形狀的金屬板件組成，并定義液壓機機身中各板的裝配關系，同時總結(jié)軸長與閉合高度、軸徑與落料孔的關聯(lián)規(guī)律作為模型的約束條件，這樣，根據(jù)用戶確定的參數(shù)，如：改變軸長或軸徑，將自動生成不同閉合高度和不同孔徑的落料孔工作臺的機身結(jié)構(gòu)三維裝配模型，實現(xiàn)了參數(shù)化設計，同時，也可方便生成二維工程圖（包括每塊板的零件圖和機身裝配圖）。并可通過三維軟件功能，精確計算金屬耗材重量，以便進行產(chǎn)品快速報價。圖2為三維實體設計。

圖1 電機轉(zhuǎn)子入軸液壓壓力機

圖2 液壓機機身結(jié)構(gòu)

3 入軸工件的夾模三維設計

3.1 壓頭上夾模三維設計

根據(jù)轉(zhuǎn)子入軸的技術及工藝要求，壓頭上夾模的結(jié)構(gòu)設計需滿足以下功能。

（1）壓頭上夾模的設計要考慮與液壓缸攜帶的下行機構(gòu)連接，采用剛性的定位軸孔配合的緊固螺釘連接。

（2）壓頭需要自動夾緊電機轉(zhuǎn)子軸的功能，只需用人工把轉(zhuǎn)子軸套上壓頭上夾模，壓頭夾模依靠設計的鎖緊機構(gòu)，利用鎖緊力自動夾緊轉(zhuǎn)子軸。

（3）壓頭夾模設計需適應不同轉(zhuǎn)子伸出長度的軸向精度定位，自身需具有調(diào)整軸向伸出長度的結(jié)構(gòu)。

（4）壓頭夾模需要避開下夾模的轉(zhuǎn)子芯片定位片的位置，需設計出讓位槽，同時也需保證壓頭夾模下端面與轉(zhuǎn)子芯片的直徑尺寸一致。

利用三維建模，通過繪制草圖、實體特征零件、添加幾何關系、到裝配體，設計成如圖3所示壓頭夾模。

圖3 壓頭上夾模

3.2 電機轉(zhuǎn)子鐵芯夾緊下夾模三維設計

鐵芯是電機的重要零件之一，一般由厚度為0.35 mm或0.5 mm的硅鋼片組成。因此，一臺產(chǎn)品的鐵芯可由幾片至幾百片硅鋼片組成；隨著模具技術的發(fā)展，鐵芯沖片的加工由單沖模、復合模的沖裁，發(fā)展到用高速級進模沖裁。模具的結(jié)構(gòu)形式從單列散片級進沖模，發(fā)展到雙列、三列等多列自動疊片高速級進沖模。鐵芯疊裝技術有兩種：第一，傳統(tǒng)的手工理片，疊片后每片槽口參差不齊；第二，自動疊片技術，每片槽口整齊。

圖4 壓頭下夾模

因此電機轉(zhuǎn)子鐵芯芯片壓入軸工序的下夾緊模設計主要考慮的問題：（1）鐵芯的夾緊力和夾緊方式；（2）鐵芯槽槽口的對齊定位；（3）鐵芯疊厚分片。針對以上情況，設計下夾模的結(jié)構(gòu)形式如圖4示，它是由一氣動系統(tǒng)氣缸提供推動力，此圖為實物圖片。

圖5 入軸機液壓原理圖

圖6 入軸機電路原理圖

4 液壓系統(tǒng)和電路設計

液壓系統(tǒng)原理圖[2]如圖5所示；液壓壓力機的電路圖如圖6。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年生產(chǎn)，不斷完善設計，該設備已經(jīng)被上百家用戶使用，受到用戶極好評價。

（1）電機轉(zhuǎn)子液壓壓力入軸機的研制和批量生產(chǎn)，使得轉(zhuǎn)子鐵芯分片和齊片的手工操作變成機器自動操作，提高了轉(zhuǎn)子入軸的效率和壓裝精度。

（2）機身設計采用了三維設計，實現(xiàn)了參數(shù)化驅(qū)動設計，使得對于不同樣軸，對應的機身設計變得高效和容易，同時，也可方便生成二維工程圖（包括每個的零件圖和機身裝配圖）。并可通過三維軟件功能，精確計算金屬耗材重量，以便進行產(chǎn)品快速報價。

（3）采用液壓系統(tǒng)進行入軸，保證了壓裝力，同時采用氣動系統(tǒng)夾緊鐵芯轉(zhuǎn)子，使得整個系統(tǒng)成本下降，提高了產(chǎn)品競爭力。

［1］江洪.Solidwords2011基礎教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］張利平.液壓站［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.