新型全自動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子粗車機(jī)床的設(shè)計(jì)與車削工藝

周錦添,張宜剛

(1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510520;2.廣東省機(jī)械研究所,廣州 510635)

新型全自動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子粗車機(jī)床的設(shè)計(jì)與車削工藝

周錦添1,張宜剛2

(1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510520;2.廣東省機(jī)械研究所,廣州 510635)

為了提高電機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子外圓的切削加工質(zhì)量和效率，應(yīng)用了Solidwords三維軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種新型鑄鋁轉(zhuǎn)子外圓液壓式全自動(dòng)粗車機(jī)床，制定出新的車削工藝規(guī)程，并介紹了該機(jī)床的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、功能以及性能參數(shù)，改變了電機(jī)行業(yè)鑄鋁轉(zhuǎn)子加工工藝，加工效率比傳統(tǒng)車削方法至少提高了10倍以上，轉(zhuǎn)子質(zhì)量得到較大的提高，車削加工實(shí)現(xiàn)了從無(wú)序的轉(zhuǎn)子毛坯自動(dòng)送料，到自動(dòng)排序等待車削，再到自動(dòng)車削和自動(dòng)落料全過(guò)程的機(jī)械自動(dòng)化。

電機(jī)；鑄鋁轉(zhuǎn)子；車削；機(jī)床；工藝；液壓站

0 引 言

分馬力電機(jī)、微型電機(jī)的鼠籠式鑄鋁轉(zhuǎn)子外圓車削的傳統(tǒng)制造方法是利用通用車床并使用專用夾具進(jìn)行車削，它的加工工藝：鑄鋁轉(zhuǎn)子毛坯→壓裝鐵心心軸(工位1)→粗車、精車加工(工位2)。這種工藝是將心軸與轉(zhuǎn)子毛坯壓裝后，粗車、精車加工在同一工位，由于粗車切削量較大，產(chǎn)生較大的切削力容易使軸壓彎，因此傳統(tǒng)車削工藝精度較低；裝夾工件耗時(shí)繁瑣，致使效率低，自動(dòng)化、專業(yè)化程度不高，成本高。近年，我國(guó)已經(jīng)是世界電機(jī)生產(chǎn)大國(guó)，每一廠家生產(chǎn)的電機(jī)產(chǎn)量大，要求的生產(chǎn)周期短且效率要高，傳統(tǒng)車削轉(zhuǎn)子外圓的方法滿足不了當(dāng)前對(duì)各類電機(jī)的加工需求。為此，我們改變?yōu)樾碌能囅鞴に嚕鸿T鋁轉(zhuǎn)子毛坯→粗車(工位1)→壓裝心軸(工位2)→精車(工位3)。這種工藝的改變，必須配套相應(yīng)的粗車專用機(jī)床，為此我們研制了專用的液壓式電機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵心外圓全自動(dòng)粗車機(jī)床。本文闡述鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵心外圓粗車加工機(jī)床的工作原理及結(jié)構(gòu)，新研制的機(jī)床結(jié)構(gòu)新穎、車削力大，裝夾迅速，加工精度高、自動(dòng)化和專業(yè)化程度高，效率高、生產(chǎn)成本低，有利提高轉(zhuǎn)子加工質(zhì)量的一致性。

1 機(jī)床主要組成、工作原理及技術(shù)參數(shù)

1.1 機(jī)床主要組成及工作原理

機(jī)床有4大部分組成，其一為智能送料裝置，其二為機(jī)床主機(jī)，其三為液壓站系統(tǒng)，其四為電控系統(tǒng)。機(jī)床主機(jī)部分有轉(zhuǎn)子毛坯推出機(jī)構(gòu)、主軸頂出機(jī)構(gòu)、尾座夾緊機(jī)構(gòu)、刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)、機(jī)床床身等組成。機(jī)床主要組成如圖1所示。

圖1 液壓式自動(dòng)粗車機(jī)床主要組成分布圖

機(jī)床從送料裝置底部料斗中將眾多無(wú)序的鑄鋁轉(zhuǎn)子毛坯自動(dòng)往上輸送至裝置出口，并將眾多轉(zhuǎn)子有序排序使其在排序料槽中等待。再到由推出機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)子自動(dòng)送出，送至機(jī)床主機(jī)主軸中心位置，并自動(dòng)夾緊，高速旋轉(zhuǎn)，最后到刀具的縱橫向自動(dòng)進(jìn)給對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)施車削粗加工。機(jī)床主機(jī)部分包括轉(zhuǎn)子工件的夾緊，縱橫向刀具自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，主軸頂出機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源均采用油缸驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)，送料裝置動(dòng)力源采用單相異步電動(dòng)機(jī)帶蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)床采用PLC進(jìn)行部序控制。

機(jī)床動(dòng)作流程：?jiǎn)?dòng)按下，排序料槽中的傳感器H檢測(cè)到無(wú)轉(zhuǎn)子工件在等待；送料機(jī)構(gòu)往上送料，傳感器G檢測(cè)推出機(jī)構(gòu)上裝有工件，送出機(jī)構(gòu)即送料，尾座夾緊機(jī)構(gòu)推出對(duì)工件實(shí)施夾緊，推出機(jī)構(gòu)退回，主軸夾帶轉(zhuǎn)子工件高速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具縱橫向進(jìn)給進(jìn)行車削，車削完畢，主軸停止；進(jìn)給機(jī)構(gòu)回位，接著尾座夾緊機(jī)構(gòu)退回，主軸頂出機(jī)構(gòu)卸料板推出卸料，卸料板退回；最后轉(zhuǎn)子工件墜落，從成品出口滑出，加工結(jié)束，循環(huán)下一次。

1.2 轉(zhuǎn)子加工車削機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過(guò)縝密廣泛的調(diào)研，機(jī)床適應(yīng)性廣，機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和對(duì)轉(zhuǎn)子工件尺寸主要適用范圍如表1所示。

表1 車削機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

2 各主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、原理及功能

2.1 送料裝置與推出機(jī)構(gòu)

送料裝置主要由電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、雙鏈條送料傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙鏈同步傳動(dòng)物料輸送板結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子料斗、送料出口、支架、排序感應(yīng)接近開關(guān)檢測(cè)電控系統(tǒng)組成，各部件分布如圖2所示。送料裝置尺寸1 700 mm(長(zhǎng))×1 570 mm(高)×500 mm(寬)，電機(jī)功率1.5 kW，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，雙鏈同步傳動(dòng)物料輸送板結(jié)構(gòu)兩條鏈條為滾子鏈32A-1x66(節(jié)距為50.8 mm)。

圖2 送料裝置三維實(shí)體圖

送料裝置的功能就是把鑄造好的無(wú)序的眾多的鑄鋁轉(zhuǎn)子由底部料斗通過(guò)輸送板上的方形托條托著沿著75°坡度帶動(dòng)上升，每塊輸送板都安裝一方形托條，托條厚度要求至少超過(guò)轉(zhuǎn)子鐵心厚度一半以上方能托住轉(zhuǎn)子，待轉(zhuǎn)子上升至送料出口處，由導(dǎo)入條將其導(dǎo)入送料出口，轉(zhuǎn)子進(jìn)入送料出口后，將從上往下沿坡度通過(guò)既連接著送料出口又連接著送出機(jī)構(gòu)的排序料槽滾動(dòng)往下，在料槽一個(gè)挨著一個(gè)排序，等待被送出至主軸夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工，轉(zhuǎn)子排序槽三種狀態(tài)位置見機(jī)床的實(shí)拍圖(如圖3所示)。

圖3 料槽內(nèi)三種狀態(tài)排序的轉(zhuǎn)子位置圖

當(dāng)傳感器H檢測(cè)到料槽上裝滿了等待加工的轉(zhuǎn)子時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停止信號(hào)，送料裝置即停止往上送料；否則，送料裝置不斷往上送料，直到料槽排滿轉(zhuǎn)子才停止工作。

送料裝置只容許每一托條升至送料出口處時(shí)每次只能輸送一個(gè)轉(zhuǎn)子，并令轉(zhuǎn)子逐一進(jìn)入送料出口。因?yàn)殡p鏈同步傳動(dòng)物料輸送板結(jié)構(gòu)設(shè)置有一分揀板，它與托條在輸送板的最遠(yuǎn)端相互距離H僅設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)子直徑的大小，這就確定了輸送板上升過(guò)程中每次只能有一個(gè)轉(zhuǎn)子通過(guò)分揀板，各零件分布圖如圖4所示。

圖4 分揀板與托條位置距離H標(biāo)示圖

推出機(jī)構(gòu)由推出油缸、滑動(dòng)滾珠導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)子托爪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要功能就是由排序料槽滾動(dòng)下來(lái)的轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)子托爪接住，當(dāng)傳感器G檢測(cè)托爪上有轉(zhuǎn)子正在等待推出時(shí)，即發(fā)出推出信號(hào)到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)指令油缸將托爪連同轉(zhuǎn)子一同送至夾緊位置，等待實(shí)施車削加工。否則，油缸不推出，直至送料到達(dá)，托爪上有轉(zhuǎn)子，才推出實(shí)施加工。

圖5 推出機(jī)構(gòu)三維實(shí)體圖

2.2 主軸卸料機(jī)構(gòu)與尾座夾緊機(jī)構(gòu)

主軸卸料機(jī)構(gòu)的作用是由其皮帶輪帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上安裝夾緊轉(zhuǎn)子毛坯的夾具，夾具由轉(zhuǎn)子毛坯軸孔相適應(yīng)的定位針和傳遞主軸扭矩的棘齒組成。由于轉(zhuǎn)子毛坯被加工后留在定位針上，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落料，在主軸機(jī)構(gòu)上，設(shè)計(jì)出卸料機(jī)構(gòu)，它由卸料油缸推動(dòng)卸料板前進(jìn)，由卸料板頂出安裝在定位針上已車削好的轉(zhuǎn)子脫落。主軸卸料機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 主軸卸料機(jī)構(gòu)三維圖

尾座夾緊機(jī)構(gòu)是由推出軸、夾緊油缸和尾座組成。推出軸前端安裝夾緊棘齒用于夾緊轉(zhuǎn)子毛坯。尾座夾緊機(jī)構(gòu)三維圖如圖7所示。

圖7 尾座夾緊機(jī)構(gòu)

2.3 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)由縱橫向滑板、刀架、縱橫向油缸等組成?？v向、橫向滑板底下安裝了兩條直線滾珠導(dǎo)軌副，它們分別由縱橫向油缸驅(qū)動(dòng)，刀架安裝在滑板上并安裝了百分表和吃刀深度(背吃刀量)調(diào)節(jié)滑板和調(diào)節(jié)手輪?？v向、橫向滑板行程分別由安裝在機(jī)構(gòu)里的接近開關(guān)發(fā)出的信號(hào)控制油缸的往返動(dòng)作。進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分布如圖8所示。

圖8 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

2.4 床身設(shè)計(jì)

床身設(shè)計(jì)采用拼焊而成，床身面板使用厚鋼材，床身面板下面分三個(gè)功能區(qū)，為卸料區(qū)、盛屑區(qū)和電柜區(qū)。機(jī)床要求機(jī)身穩(wěn)定，振動(dòng)小，因此，需要床身底座灌注厚厚的水泥砂漿，為保證剛度，采用方管拼焊機(jī)架，這樣能保證機(jī)身穩(wěn)定。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)床及液壓系統(tǒng)采用可編程控制器、變頻器等電氣控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)采用液壓站型式，液壓泵是葉片泵，系統(tǒng)最大額定輸出壓力為16 MPa，流量為40 L/min，共有5個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)，油缸缸徑和行程如表2所示。

表2 油缸主要技術(shù)參數(shù)

利用Solidwords三維軟件設(shè)計(jì)液壓站油路塊能直觀地了解各閥之間的連接方式，在設(shè)計(jì)孔道時(shí)能方便快速修改液壓閥及其它相關(guān)元件、管路聯(lián)系的管道，并可透視油路塊內(nèi)各孔道之間連接關(guān)系[1]，如圖9所示。

圖9 液壓站油路塊透視圖

4 車削工藝參數(shù)

4.1 車刀選用

轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊片而成，且圓周上有眾多槽口分布，槽口處為硬度較低的鑄鋁合金，因此，在車削時(shí)為斷續(xù)車削，車削時(shí)刀具受斷續(xù)沖擊力頻繁，致使切削力變大，沖片擠壓變形嚴(yán)重，導(dǎo)致槽口寬度減小，降低了電機(jī)性能[2]。如果選用普通硬質(zhì)合金YW型刀片，車削二三十個(gè)轉(zhuǎn)子后，容易造成車刀刀尖磨損、甚至崩裂，并且加工時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)子倒片，硅鋼片毛刺增大，直接影響轉(zhuǎn)子表面損耗。如果要降低雜散鐵損，就必須盡量減少轉(zhuǎn)子加工時(shí)倒片的程度，減少轉(zhuǎn)子表面的毛刺[2]，選擇更能適應(yīng)斷續(xù)切削的刀具，為此，我們選用了聚晶立方氮化硼刀片[3]。聚晶立方氮化硼(PCBN)具良好的耐熱沖擊性能和較高的耐磨性能[4]，可車削斷續(xù)表面，只是切削速度要適當(dāng)，機(jī)床加工系統(tǒng)剛性要非常好，應(yīng)選用高含量的PCBN復(fù)合刀片[5]。

4.2 車削工藝

切削速度v=120 m/min,每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.2～0.3 mm，每次切削深度(背吃刀量)αp=0.5 mm。

車刀采用機(jī)夾式車刀，刀柄截面尺寸40 mm×40 mm。PCBN塊在刀頭上固定，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，粗車車刀前角和刃傾角取負(fù)值，前角取-10°，刃傾角取-8°，主后角取較小值，一般為5°～7°即可。這樣刀刃強(qiáng)度較高，刀具耐用度高，壽命長(zhǎng)。主偏角取85°，加工時(shí)可減小徑向力，避免振動(dòng)[6]。車刀并可加寬主切削刃，從而減小切削刃單位長(zhǎng)度上的負(fù)荷。副偏角控制在6°～8°。刀尖倒棱取1.0～1.5 mm，可以減少刀片的磨損，刀尖角大，散熱性能好，可提高刀具的使用壽命。車刀安裝時(shí),調(diào)節(jié)車刀高度，使刀尖在轉(zhuǎn)子軸中心線位置上下誤差少于0.1 mm。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間大量車削驗(yàn)證，采用上述工藝參數(shù)可控制轉(zhuǎn)子圓跳動(dòng)在≤0.04 mm范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文開發(fā)了新型液壓驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子外圓全自動(dòng)車削機(jī)床，制定了新的車削工藝，從而改變了原來(lái)對(duì)鑄鋁轉(zhuǎn)子的加工工藝，較大地提高了鑄鋁轉(zhuǎn)子的加工效率和加工質(zhì)量，從自動(dòng)裝夾、車削、自動(dòng)落料整個(gè)過(guò)程車削一個(gè)鑄鋁轉(zhuǎn)子為5 s，效率比傳統(tǒng)車削工藝至少提高了10倍，車削后轉(zhuǎn)子外圓表面質(zhì)量無(wú)倒片和毛刺現(xiàn)象，表面粗糙度質(zhì)量得到極大提高，因此可減少電機(jī)表面損耗[2]。本項(xiàng)目的開發(fā)為電機(jī)制造行業(yè)提供了高效、自動(dòng)化程度高的車削鑄鋁轉(zhuǎn)子新的加工手段，經(jīng)過(guò)近三年眾多用戶的使用和對(duì)機(jī)床的不斷改進(jìn)，受到用戶的一致好評(píng)。

[1] 張利平.液壓站[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:248.

[2] 楊光，閏丹.高壓高效電機(jī)轉(zhuǎn)子表面加工工藝[J].防爆電機(jī),2014,49(1):49-50.

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

[4] 神會(huì)存，宗萬(wàn)栓，王晶.PCBN整體燒結(jié)刀片在切削加工中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(7):98-99.

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Design and Turning Process of New Type Automatic Turning Machine for Motor Rotor

ZHOUJin-tian1,ZHANGYi-gang2

(1.Guangdong Engineering Polytechnic,Guangzhou 510520,China;2.Guangdong Provincial Machinery Research Institute,Guangzhou 510635,China)

In order to improve the motor cast aluminum rotor outer circle machining quality and efficiency, Solidworks 3D software was utilized for mechanical design. A new type of cast aluminum rotor cylindrical hydraulic automatic turning machine was developed. The characteristics, functions and performance parameters were introduced. We change the motor processing technology of cast aluminum rotor, draft a new turning process protocol. As a result, the machining efficiency is 10 times higher than the traditional turning method, and rotor quality is greatly improved. Turning process has realized mechanical automation, changing from disorderly rotor workblank automatic feeding to automatic sorting, standing by for turning, and then to the automatic turning and automatic blanking of the whole process.

motor; the cast aluminium rotor; turning; machine tool; technology; hydraulic station

2015-11-08

TM305

A

1004-7018(2016)05-0032-04

周錦添(1965-),男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)生產(chǎn)系列設(shè)備研發(fā)、電機(jī)生產(chǎn)工藝研究、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化技術(shù)。