電機轉子整流子新型精車機床的開發(fā)與車削工藝

周錦添 賴 萍 張宜剛

(①廣東工程職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510520；②廣東省機械研究所，廣東 廣州 510520)

電機轉子整流子新型精車機床的開發(fā)與車削工藝

周錦添①賴 萍①張宜剛②

(①廣東工程職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510520；②廣東省機械研究所，廣東 廣州 510520)

為了提高電機轉子整流子外圓的切削加工質(zhì)量和效率，通過采用新型工件裝夾方法，并應用Solidwords三維軟件設計出新型工件裝夾專用夾具，采用新的主運動傳遞方式與設計新型主軸傳動機構，應用觸摸屏人機界面的車削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)寫入技術、PLC步序控制技術、交流伺服電動機控制系統(tǒng)驅動技術、變頻器主運動速度控制技術，開發(fā)出一種新型轉子整流子外圓車削機床，改變了微電機行業(yè)轉子整流子加工方法，并制定出新的車削工藝規(guī)程，使每個轉子工件從裝夾、車削、到卸料和清理切屑整個過程僅需時間4 s，加工效率得到極大的提高，其效率比傳統(tǒng)車削方法提高達20倍以上，車削后整流子形位精度圓跳動≤0.005 mm，尺寸精度達到IT6，外圓表面粗糙度Ra≤0.4 μm，車削后整流子圓柱面趨近鏡面效果的光亮度，外圓表面無毛刺及其片間窄槽無嵌入的切屑。

電機；轉子；車削；車床；工藝；整流子

分微電機永磁直流電機和交流串激電機轉子均為繞線繞組轉子，其結構在轉子軸上壓裝著一個與繞組漆包線焊接的整流子，整流子亦即換向器，在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接起來，其作用是改變電流的方向，以使電磁力的方向不變。由于電機的高速運轉，整流子不斷地與電刷產(chǎn)生高速摩擦，并產(chǎn)生大量的熱甚至產(chǎn)生大量火花，在使用過程中為了減少和碳刷摩擦產(chǎn)生的火花，延長其壽命，整流子除材料滿足使用要求外，需要對它進行最后切削精加工來提高它的表面質(zhì)量和形位精度，尤其要求表面圓跳動精度高。整流子外圓柱表面是用無氧銀銅材料制造[1]，早前的加工方法是：普通車床裝夾→粗車加工(工位1)→精車加工(工位2)。這種加工方法存在效率低，耗時長、裝夾繁瑣，形位精度低、表面粗糙度差以及質(zhì)量一致性差等缺陷。為此，筆者采用了新的車削技術和制定了新車削工藝：專門化車床快捷裝夾→高效粗精一體化數(shù)控加工(只需一個工位)。這種工藝方法的改變，保證了轉子整流子車削后有很高的圓跳動精度和很好的表面質(zhì)量。實施上述新工藝必須配套相應的新型專門化精密車削機床、專用夾具和專用除屑裝置等工藝裝備。

1 機床工作原理、技術參數(shù)及組成部件

1.1 專門化數(shù)控車削機床的車削原理

微電機永磁直流電機和交流串激電機轉子的結構特點均具有一根細長鋼制軸芯依次壓裝著由多片矽鋼片疊加成帶繞組的圓柱型鐵芯和外圓表面鑲嵌著無氧銀銅換向片的整流子；轉子的形狀為上述3個圓柱體組成的組合體，被加工的轉子工件見圖1。

整流子外圓表面為被加工表面，根據(jù)使用要求，外圓表面加工后須滿足的精度為：經(jīng)加工后整流子的徑向圓跳動≤5 μm，表面粗糙度Ra≤0.4 μm。適合加工的工件尺寸范圍見表1。

表1 被加工工件的尺寸范圍 mm

根據(jù)這類轉子的結構特點和整流子使用要求，我們提出新的車削工藝并研發(fā)了新型專門化數(shù)控車削機床，機床主要有7大部分組成：主軸傳動壓緊機構、工件支承座部件、刀具進給機構、車削參數(shù)數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)和交流伺服控制系統(tǒng)、PLC步序控制及氣動系統(tǒng)、掃屑裝置和機床床身，見圖2。

機床工作原理：機床設置有自動和手動兩檔，合上電源，設置在觸摸屏手動檔畫面，對機床刀架完成機械回零，并把轉子工件放至支承座兩側托座的V型合金塊上，觸摸屏置于自動檔畫面，在參數(shù)寫入觸摸屏輸入車削各參數(shù)，按下啟動按鈕—傳動壓緊裝置壓臂下壓并壓緊轉子工件—主軸電動機轉動帶動壓臂上的平皮帶轉動—平皮帶的運動拖動轉子工件高速轉動—刀具進給機構縱向進給—刀具進給機構橫向進給進行車削，同時V型托座兩側頂端的壓縮空氣噴出對工件進行冷卻，以及兩側托座上的V型合金塊出油口的潤滑油溢出對高速轉動的電機芯軸兩端進行潤滑—車削完畢，接著進給機構縱橫向刀架滑板回位—平皮帶停止運動—壓臂提升松開轉子工件，人工把轉子移至掃屑裝置上清理切屑，車削加工結束，循環(huán)下一次。經(jīng)過廣泛縝密的調(diào)研，開發(fā)的機床適應性廣，主要技術參數(shù)見表2。

表2 專門化轉子整流子新型精密車床的主要技術參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值工件轉速(可調(diào))v/(r/min)1500～12000加工后徑向圓跳動h/mm≤0．005每件最高生產(chǎn)循環(huán)時間T/s4輸入功率P/kW1．0氣源壓力p/MPa0．5～0．8機體尺寸(L×W×H)/mm×mm×mm900×580×1200重量G/kg380

1.2 工件裝夾方法的改變及裝夾夾具設計

根據(jù)上述轉子工件的結構和形狀特點，在設計專用夾具時，為了快速夾緊工件以備車削，也為了在夾緊后工件高速旋轉，利用了壓臂下壓壓緊工件的壓緊力，支撐座支承工件產(chǎn)生中心定位和軸向定位作用，達到在車削時夾具對工件的夾緊和定位。

壓臂氣缸拉動壓臂向下擺動，裝在壓臂上的平皮帶壓緊托在一副支撐座上的轉子工件，壓臂上安裝有帶傳動機構，主軸電動機驅動帶傳動機構上的主動輪轉動，主動輪帶動平皮帶順時針轉動，平皮帶產(chǎn)生的壓緊力和摩擦力，帶動定位在一副V型合金塊上的工件逆時針轉動，見圖3。

平皮帶需要有足夠的抗拉強度和摩擦系數(shù)，皮帶的厚度多為2 mm，寬度可根據(jù)轉子鐵芯厚度而定，多為比轉子鐵芯厚度少2～4 mm為宜，其材料一般為帶多層加強層的軟PVC，抗拉強度較高、耐磨性好及彈性小，但摩擦系數(shù)較小，平皮帶對工件的壓力大小由平皮帶的張緊程度和壓臂的下限位置共同決定，平皮帶的張緊程度由壓臂上從動輪及多個張緊輪共同調(diào)節(jié)，太緊會使皮帶輪軸承發(fā)熱，太松皮帶會碰到刀具。平皮帶提供的壓力和功率應該滿足總切削力和切削功率的需要[2]。

工件支承座部件設計成兩側托座可滑動調(diào)節(jié)的，它由兩塊托座及安裝在其各自頂部的的兩塊V型合金塊、支承導軌、軸向頂桿組件和支承底座組成，其結構見圖4。V型合金塊由硬質(zhì)合金或鎢合金制成，其上開有100°左右的V型槽，工件在V型槽中轉動[2]。兩塊V型合金塊起到支承轉子工件的作用，它與壓緊后的平皮帶一起形成轉子的定位中心和夾緊作用。安裝有V型合金塊的兩塊托座可沿著支承導軌滑動，沿著滑動方向調(diào)節(jié)它們的位置，可適應不同長度的工件長度。調(diào)節(jié)時，應使它們盡量靠近工件兩側以防芯軸壓彎。V型槽底部有溢油孔,溢出的潤滑油可潤滑高速旋轉的芯軸，避免轉子軸受到磨損。這種支承座部件結構設計簡單、耐用、定位精度高，支承夾角不隨芯軸直徑大小而改變。

軸向頂桿組件可以根據(jù)轉子芯軸的長短調(diào)節(jié)頂桿的左、右位置，使轉子剛好位于左、右V型合金塊的中間位置，車削時作用在轉子上的軸向力會使轉子芯軸沿著頂桿方向移動，轉子的軸向定位由頂桿調(diào)節(jié)后確定。為減小頂桿與芯軸之間的摩擦力，頂桿頭部由黃銅或鋼球柱塞制造。

1.3 工件主運動傳遞方法與主軸傳動機構

機床主運動是轉子工件的高速旋轉運動，它由三相異步電動機作主軸電動機，電動機的轉動傳動至壓臂上的帶轉動，進而平皮帶在壓緊力和摩擦力的作用下拖動轉子工件實現(xiàn)反方向高速旋轉運動。主軸電動機由變頻器設置其速度和轉矩。主軸傳動機構由0.37 kW三相異步電動機驅動，結構見圖5。

1.4 進給機構設計

進給機構主要由縱向移動組件、橫向移動組件和刀架3部分組成，三維結構見圖6。它包含縱橫向(X、Y向)滑板、縱橫向各兩副直線滾珠導軌、縱橫向各一副滾珠絲杠、縱橫向各一組圓錐推力滾動軸承、縱橫向兩臺交流伺服電動機、刀架及車刀中心高燕尾調(diào)節(jié)器等零部件。刀架安裝在橫向滑板上，并可通過其調(diào)節(jié)螺桿手輪調(diào)整車刀的中心高，滿足車削工藝要求?？v向、橫向滑板行程分別由機構里的接近開關發(fā)出的反饋信號，并經(jīng)過控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，變換成伺服電動機轉動量來控制其往返行程。進給機構的導軌是精密導軌，每天工作后都要加定量潤滑油。

1.5 運動控制方式及車削參數(shù)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)

機床的控制系統(tǒng)主要由PLC步序控制系統(tǒng)、交流伺服電動機驅動控制系統(tǒng)、主運動變頻器控制系統(tǒng)和觸摸屏人機界面參數(shù)數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)等組成。通過采用液晶觸摸屏從人機界面的初始畫面點擊參數(shù)設置畫面菜單進入到參數(shù)設置畫面，可任意設置車削的次數(shù)、毎次車削吃刀(橫向Y)深度、車削走刀(縱向X)行程和車削走刀(橫向X)速度等車削工藝參數(shù)；車削工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)寫入后，從人機界面畫面點擊“啟動”菜單進入到運行畫面手動鍵位置，完成機械回零后，再把“手動/自動”轉換鍵按動到“自動”位置，再按“確認”就進入到自動運行狀態(tài)了，點擊“啟動”按鈕，機床就開始自動運行進行加工，界面設置參數(shù)一般不能在工作循環(huán)沒完成前修改，人機界面觸摸屏設置界面見圖7。

2 加工新工藝

2.1 刀具選擇

PCD聚晶金剛石彎頭車刀適用于加工無氧銀銅整流子。采用PCD金剛石刀具不僅耐磨性強，硬度高，壽命長，并且具有良好的排屑性能[3]，因此，加工整流子圓柱表面質(zhì)量趨近鏡面效果和高光潔度，精度等級達到IT6。刀具采用焊接式右彎頭結構，刀柄截面尺寸12 mm×12 mm，一小塊PCD刀片焊接在高精度刀頭上。PCD具有高耐熱沖擊性能及高耐磨性能[4]。經(jīng)試驗，刀具前角取0°～5°，主后角取5°～12°，刃傾角取5°，主偏角取95°，加工時可減小徑向力，避免振動，副偏角控制在6°～8°，刀尖端部為圓弧，圓弧半徑為R0.3 mm，這樣可以減少刀片的磨損。應用上述刀具幾何參數(shù)，刀具耐用度高。刀具幾何圖形見圖8。

2.2 工藝參數(shù)

采用PCD刀具加工電機無氧銀銅整流子，典型切削參數(shù)為：切削速度v=300 m/min,進給量f=0.07～0.08 mm/r，每次切削深度(背吃刀量)ap=0.1～0.15 mm。對無氧銀銅整流子組件允許的最大切削層深度為0.15 mm。

2.3 車削時的冷卻、潤滑和切屑清理

轉子工件車削時在高速旋轉，它與V型合金塊因摩擦而產(chǎn)生熱，刀具因在車削力作用下切削整流子斷續(xù)的外圓表面而產(chǎn)生熱，因而機床設計時采用壓縮空氣進行車削冷卻。機床工作臺板上安裝有兩個壓縮空氣冷卻噴頭，車削時，可將兩個噴頭對準需要冷卻的地方。冷卻噴頭見圖9。

為了減少熱量的產(chǎn)生和轉子芯軸在高速旋轉摩擦時受到損傷，左右托座及V型合金塊上部分別設置有一溢油小孔，小孔溢出油的位置正好就是轉子芯軸與V型合金塊高速摩擦時的接觸位置，小孔溢油的流量可由安裝在機床底部擠油缸的行程大小決定。擠油缸是通過連桿連接壓臂的，每當壓臂下壓、上升一次往返，擠油缸就推出并擠出潤滑油一次，然后回程。新機床剛工作時，因為油路里是空的，要擠壓一段時間后油才從小孔溢出，可以不斷用手動操作壓臂上下，直至油從V型合金塊內(nèi)的小孔溢出后才能正常進行車削工作。

由于整流子圓柱面均勻分布著軸向窄槽，加工不連續(xù)外圓表面形成的切屑短小[6]，因此車削出來的切屑為很小的小片狀的銅屑，大小直徑約為0.2～0.4 mm左右，因此，專門設計了掃屑裝置。裝置由單相異步減速電動機帶動裝有尼龍線圓形刷子不斷轉動，對車削后的整流子片間窄槽進行掃屑，直至清理干凈為止。機床的銅屑清理可分兩階段，其一為在車削時采用高效工業(yè)除塵器吸走銅屑，其二為車削結束后，采用專門設計的掃屑裝置清理嵌入整流子換向片間窄槽里的銅屑。

3 結語

由于應用了整流子車削新技術，使用了整流子專門化數(shù)控車削機床，采用了新型轉子工件裝夾方法和驅動轉子工件高速轉動方式，并制定了一套新工藝，車削效率比傳統(tǒng)車削工藝提高了20倍以上，每個轉子工件從裝夾、車削、到卸料和清理切屑的整個過程僅需時間4 s，車削后整流子表面質(zhì)量達到表面粗糙度Ra≤0.4 μm，加工后整流子圓柱面趨近鏡面效果的光亮度，圓跳動≤0.005 mm ，尺寸精度達到IT6，車削后整流子外圓表面無毛刺及其片間窄槽無嵌入的切屑。

這套整流子新型車削技術和工藝，為電機制造行業(yè)提供了高效、自動化程度高的車削轉子整流子新的加工手段，經(jīng)過近三年眾多用戶的應用，受到同行的一致好評。

[1]王琪，王艷.整流子用無氧銀銅材料的試制與性能研究[J].四川工業(yè)學院學報,2014,19(4):62.

[2]胡亞平,賀煒.微型電機轉子車削新工藝及其設備[J].機械工藝師,2000(3):24-25.

[3]陳云，杜齊明，董萬福.現(xiàn)代金屬切削刀具實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008:81.

[4]神會存，宗萬栓，王晶.PCBN整體燒結刀片在切削加工中的應用[J].機械設計與制造,2011(7):98.

[5]曾慶良,改進刀具結構提高斷續(xù)外圓表面的車削質(zhì)量[J].制造技術與機床,2006(10):28-29.

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Turning process and development of motor rotor commutator new type precision lathe

ZHOU Jintian①, LAI Ping①, ZHANG Yigang②

(①Guangdong Engineering Polytechnic, Guangzhou 510520, CHN; ②Guangdong Provincial Machinery Research Institute, Guangzhou 510535, CHN)

In order to improve the rotor's commutator excircle machining quality and efficiency, a new type of workpiece clamping method was adopted and Solidworks 3D software was utilized for mechanical design, so a new way of workpiece clamping fixture was designed. We also introduced a new main movement motion transfer mode and a new design of main shaft transmission mechanism. Turning process parameters write-in technology of touch screen man-machine interface technology, PLC program sequence control technology, AC servo motor control system drive technology, inverter motor main movement speed control technology were applied. We developed a innovative kind of rotor commutator excircle turning machine, made changes to the processing method for rotor commutator in micro motor industry, and regulated new turning procedure. As a result, the whole process of clamping, turning, discharge, and cleaning up scraps takes only 4 seconds for each rotor workpiece. Machining efficiency is greatly improved and its efficiency is at most 20 times higher than the traditional method of turning. After turning the position accuracy of commutator circular runout is less than or equal to 0.005 mm, size precision IT6, outer surface roughnessRa≤0.4 μm. After turning, luminance in cylindrical surface of commutator is close to the luminance of mirror effect. The commutator excircle surface is without burr. Also, we found no embedding chips between the narrow grooves.

motor; rotor; turning; lathe; process; commutator

TG519.5

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.013

周錦添，男，1965年生，高級工程師，主要研究方向為電機生產(chǎn)系列設備研發(fā)及電機生產(chǎn)工藝研究、機械設計、機電一體化技術。

茂) (

2016-05-31)

161220