小型鑄鋁轉(zhuǎn)子離心鑄造工藝研究

摘 要：現(xiàn)代大中型電機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子以離心鑄造工藝生產(chǎn)居多，而小型鑄鋁轉(zhuǎn)子主要由壓鑄方式生產(chǎn)。文章對(duì)小型鑄鋁轉(zhuǎn)子的離心鑄造工藝展開研究，驗(yàn)證了離心鑄造工藝對(duì)小型電機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子實(shí)際生產(chǎn)的可行性，并提高了電機(jī)的整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，取得了良好的成果。

關(guān)鍵詞：小型鑄鋁轉(zhuǎn)子；離心鑄造；順序凝固；致密度；電機(jī)效率

如何提高電機(jī)的工作效率，同時(shí)降低制造成本，一直是廣大電機(jī)設(shè)計(jì)制造者追求的目標(biāo)，只有設(shè)計(jì)制造出更高效的電機(jī)產(chǎn)品，才能讓電機(jī)制造企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存，同時(shí)這也是當(dāng)今社會(huì)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的需要。

以往，我公司生產(chǎn)的小型鑄鋁轉(zhuǎn)子都采用壓鑄方式生產(chǎn)，電機(jī)效率一直無法得到有效提高，這是由壓鑄工藝性質(zhì)本身所決定的，主要是由于壓鑄速度較快，鐵心內(nèi)的空氣無法及時(shí)排出，造成鋁條及端環(huán)處出現(xiàn)細(xì)微的氣孔，從而影響了電機(jī)效率。近來，我公司為提高小型電機(jī)的工作效率，從提升轉(zhuǎn)子性能入手，研究了一套離心鑄造設(shè)備及工藝來生產(chǎn)小型鑄鋁轉(zhuǎn)子，取得了很好的應(yīng)用效果，電機(jī)實(shí)際工作效率提高2%～3%。本文結(jié)合NEMA18-4P/2.2kW電機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子，由壓鑄方式改為離心鑄造工藝后的實(shí)際性能進(jìn)行分析。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

本轉(zhuǎn)子鐵心為高沖自扣閉口槽結(jié)構(gòu)，因此澆鑄時(shí)無需中套。鐵心外徑∮105mm，鐵心高度150mm，端環(huán)外徑∮103mm，端環(huán)內(nèi)徑∮56mm，端環(huán)厚度12mm，軸孔∮34mm，轉(zhuǎn)子總重7.95kg，其中鋁部?jī)糁?.98kg。

2 工藝方案

此小型鑄鋁轉(zhuǎn)子，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化生產(chǎn)尚屬首次，無可借鑒經(jīng)驗(yàn)，又無資料可查。經(jīng)過反復(fù)分析研究，精心擬定了一整套離心澆鑄工藝實(shí)施方案。其中包括自動(dòng)化設(shè)備的研究，工藝參數(shù)確定和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

2.1 自動(dòng)化設(shè)備的研究

由于小型鑄鋁轉(zhuǎn)子一般批量較大，手動(dòng)澆鑄無法滿足生產(chǎn)要求，所以為適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)奏，特研究了一整套雙工位自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備來提高生產(chǎn)效率，大量使用伺服電機(jī)、光電傳感器等先進(jìn)電子元器件，采用先進(jìn)PLC來進(jìn)行控制，適用于外徑150mm以下，高度200mm以下的閉口槽轉(zhuǎn)子鐵心。主要結(jié)構(gòu)包括：（1）鋁水保溫單元；（2）鐵心上料輸送單元；（3）轉(zhuǎn)子鐵心中頻加熱單元；（4）鐵心進(jìn)出模抓取單元；（5）模具立式離心旋轉(zhuǎn)單元；，（6）鋁水自動(dòng)澆鑄單元；（7）鑄鋁轉(zhuǎn)子下料輸送單元；（8）鑄鋁轉(zhuǎn)子自動(dòng)切澆口及退假軸單元；（9）轉(zhuǎn)子碼垛單元。其中中頻加熱單元和模具立式離心旋轉(zhuǎn)單元為核心結(jié)構(gòu)，關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于NEMA18-4P該型鑄鋁轉(zhuǎn)子鋁環(huán)內(nèi)徑只有∮56mm，空間較小，考慮到直澆道拔模斜度等要求，上部鋁水入口處尺寸會(huì)更小，鋁液相對(duì)大型轉(zhuǎn)子直澆道更容易凝固，這就提高了工裝模具的設(shè)計(jì)制造的難度，也對(duì)澆鑄時(shí)工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制提出了更高的要求。

模具立式旋轉(zhuǎn)單元是整套設(shè)備最核心的部分，主要結(jié)構(gòu)包括：（1）漏斗；（2）上模及直澆道；（3）鐵心及假軸；（4）下模及冷卻翅片；（5）變頻旋轉(zhuǎn)電機(jī)；（6）下模合模頂升套桿；（7）下模頂升油缸；（8）鑄鋁轉(zhuǎn)子出模頂升桿；（9）鑄鋁轉(zhuǎn)子出模頂升油缸；（10）底座。

2.2.1 上下模設(shè)計(jì)

澆注時(shí)嚴(yán)格遵循自下而上的順序凝固要求，故特意在下模端環(huán)位置加了冷卻翅片，澆注時(shí)隨上下模一起旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到下模端環(huán)最先凝固的目的。同時(shí)在下模端環(huán)內(nèi)側(cè)均布開出寬度5mm，深度0.1mm的排氣槽6個(gè)，以利于下端環(huán)排氣。下模定位止口直徑比鐵心外徑大0.1mm，即105.1mm。

上模與直澆道設(shè)計(jì)為一體，直澆道高度120mm，斜度為6度，內(nèi)澆口為對(duì)稱兩瓣式，間隔6mm，澆口高度為4mm，同時(shí)在上模平衡柱上方均布開出寬度6mm，深度0.1mm的排氣槽8個(gè)，以利于上端環(huán)排氣。上模定位止口直徑與下模一致，即105.1mm。

2.2.2 假軸設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子中心的假軸主要起到兩個(gè)作用，1、防止鋁液澆入軸孔，2、澆注完成后起到切除直澆口的作用。因此這就要保證假軸既能在高溫下連續(xù)工作而不變形，同時(shí)在切除澆口時(shí)要有足夠的強(qiáng)度，本設(shè)備采用的40Cr材料，加以適當(dāng)熱處理，滿足生產(chǎn)要求。

2.3 工藝參數(shù)的確定

在離心鑄鋁工藝中，溫度是最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，它的高低直接影響最終鑄鋁轉(zhuǎn)子質(zhì)量。要想獲得合格的轉(zhuǎn)子，必須嚴(yán)格控制好模具溫度，鐵心溫度及鋁水溫度，只有這三者達(dá)到合理的溫度配合，嚴(yán)格遵循自下而上的順序凝固原理，同時(shí)在合理的離心轉(zhuǎn)速配合下，才能獲得合格的鑄鋁轉(zhuǎn)子。

2.3.1 上下模的預(yù)熱溫度

根據(jù)順序凝固原理，鑄鋁轉(zhuǎn)子的下端環(huán)應(yīng)為最先凝固的部位，否則無法得到有效補(bǔ)縮而形成縮孔，因此下模預(yù)熱溫度應(yīng)較低，實(shí)際以250～300℃為宜。而上端環(huán)及澆口為最后凝固的部位，同時(shí)為其它部位起補(bǔ)縮作用，因此上模預(yù)熱溫度應(yīng)相對(duì)較高，以350～400℃為宜。

2.3.2 鐵心溫度

由于小型轉(zhuǎn)子槽型面積相對(duì)較小，為了不使?jié)茶T的鋁液過早凝固，因此鐵心預(yù)熱溫度相對(duì)較高，考慮到轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的熱量損失，實(shí)際鐵心預(yù)熱溫度在520～550℃。

2.3.3 鋁液溫度

本轉(zhuǎn)子鋁重0.98kg，考慮到直澆道補(bǔ)縮量及澆鑄過程中損失的鋁液，實(shí)際鋁液澆鑄量為1.3kg，由于該鐵心槽型較小，因此所需鋁液溫度相對(duì)較高，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)控制在760～780℃。

2.3.4 離心機(jī)轉(zhuǎn)速

根據(jù)《鑄造實(shí)用手冊(cè)》中，以重力倍數(shù)（G）為基礎(chǔ)計(jì)算轉(zhuǎn)速（rpm）的公式：n=299G/R內(nèi)，其中：G為重力加速度9.8，R內(nèi)（cm）為轉(zhuǎn)子鋁端環(huán)內(nèi)半徑，以此為參考，計(jì)算出合適的轉(zhuǎn)速為1046r/min，在實(shí)際澆鑄中發(fā)現(xiàn)，按此轉(zhuǎn)速澆出的轉(zhuǎn)子，下端環(huán)有拋空現(xiàn)象，后采用升速澆注法，一檔轉(zhuǎn)速為800r/min，，當(dāng)?shù)谷?/3鋁液后，進(jìn)行二擋提速，速度升高至1046r/min，澆鑄出的轉(zhuǎn)子合格。

2.4 轉(zhuǎn)子性能分析

利用上述設(shè)備，按照上述工藝生產(chǎn)出的NEMA18-4P鑄鋁轉(zhuǎn)子性能優(yōu)秀，整機(jī)裝配測(cè)試后，電機(jī)效率普遍提高2%～3%，取得了良好效果，達(dá)到了預(yù)期目的。對(duì)鋁端環(huán)切割后發(fā)現(xiàn)，比壓鑄的鋁端環(huán)致密度要更好，沒有壓鑄時(shí)普遍產(chǎn)生的直徑在∮1～∮2mm之間的小氣孔，這也直觀地印證了轉(zhuǎn)子性能的優(yōu)秀。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

以NEMA18-4P/2.2kW此型號(hào)電機(jī)為例，一天按工作16小時(shí)，效率提升2.5%計(jì)算，一年可節(jié)約電能：2.2*16*2.5%*365=321度，電價(jià)按照0.8元/度計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)：321*0.8=256.8元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

從試制的NEMA18-4P鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)果看，無論從轉(zhuǎn)子制造質(zhì)量，還是整機(jī)運(yùn)行性能，都是非常成功的。其離心鑄造工藝參數(shù)選擇及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝方法可行。經(jīng)了解，與國(guó)內(nèi)其它電機(jī)廠家的同類型電機(jī)相比，該轉(zhuǎn)子裝配后的電機(jī)運(yùn)行效率都是最高的。用離心澆鑄工藝生產(chǎn)的小型鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)，大大降低了客戶的后續(xù)使用費(fèi)用，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效果，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：汪濤（1989-），男，漢族，浙江紹興人，助理工程師，本科學(xué)歷，畢業(yè)于長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)期從事重力澆鑄，壓鑄，離心澆鑄等相關(guān)工作，現(xiàn)從事電機(jī)制造工藝，研究方向：材料成型，鑄造。