疊壓鉚壓工裝在風(fēng)機(jī)部件制造中的應(yīng)用

肖洪波

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,蘇州 215104)

0 引 言

交流電動(dòng)機(jī)在定子上開槽以便嵌放繞組，但開槽后由于氣隙不均勻造成整個(gè)氣隙圓周范圍磁阻不均勻(槽部磁阻大，齒部磁阻小)，從而造成反電動(dòng)勢(shì)中含有齒槽諧波, 一般需定子扭斜一個(gè)齒距加以克服[1]。此外，交流風(fēng)機(jī)機(jī)殼一般采用鋁合金材料，但也不乏一類機(jī)殼采用了塑料外框與鋁合金支架通過(guò)鉚壓緊固的組合式機(jī)殼結(jié)構(gòu)。因而設(shè)計(jì)出行之有效的工藝裝備[2]是關(guān)鍵。

1 三針扭斜式定子鐵心疊壓工裝

定子斜槽后，形成的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似于同一槽中的繞組均勻分布在一段圓周范圍內(nèi)的平均值，這能有效地削弱齒諧波磁場(chǎng)引起的附加轉(zhuǎn)矩，降低電磁振動(dòng)和噪聲[1](就好比自行車要越過(guò)橫在路上的一條減速帶，如果以與減速帶垂直的方向通過(guò)，顛簸很大，如果讓車子斜著過(guò)減速帶就要平穩(wěn)得多)。定子鐵心扭斜是否到位直接影響反電動(dòng)勢(shì)中齒槽諧波的大小，因此，必須尋求一種非常方便的定子斜槽加工工裝，以便快速、高效地完成定子鐵心的斜槽和疊壓。

1.1 定子鐵心簡(jiǎn)介

定子鐵心是外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的核心部件[3]。它是將理順后的規(guī)定片數(shù)的定子沖片借助三針扭斜式疊壓工裝壓入軸承套筒使之成為鐵心組合部件，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中沖片間不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。這就要求疊壓工裝在疊壓時(shí)必須在滿足斜槽質(zhì)量的前提下，保證定子鐵心兩側(cè)端面平整，鐵心外緣軸線嚴(yán)格垂直于其端面(即鐵心軸向斷面不得出現(xiàn)平行四邊形現(xiàn)象)，疊壓工裝操作便捷，軸向壓緊具備限位功能。

1.2 工裝的定位、扭斜和壓裝解析

如圖1所示，定子鐵心由48片定子沖片以散片形式經(jīng)理片、裝模、扭斜、壓緊和壓入軸承套筒，緊配后組成整體，脫模后便可獲得一完整的定子鐵心。這比鉚釘結(jié)構(gòu)或扣片結(jié)構(gòu)都大幅降低了成本。不難看出，鐵心斜槽的整齊度、鐵心外圓柱面與軸承套筒軸線的同軸度合格與否，疊裝前散片在模具中的定位和扭斜是關(guān)鍵。

圖1 定子鐵心

1.2.1 定位

本工裝如圖2所示，與傳統(tǒng)的以沖片槽口定位方式不同，利用3點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理[2]，以3根槽樣棒分別插入沖片3個(gè)均布槽中，再一起放至如圖3所示的模具底板，分別將3根槽樣棒插入底板的3個(gè)相應(yīng)孔(與槽樣棒0.1 mm間隙)中。

圖2 三針扭斜式定子鐵心疊壓模具

圖3 底板

1.2.2 扭斜

1) 槽樣棒直徑的確定

圖4 槽樣棒直徑的計(jì)算

圖5 槽樣棒 2) 扭斜原理

上模板如圖6所示，若以2導(dǎo)柱孔中心連線為基準(zhǔn)，3處均布的槽樣棒腰圓孔的起始與終止處夾角為20°，由于槽樣棒長(zhǎng)度長(zhǎng)于導(dǎo)柱(如圖7所示)，將上模板的3個(gè)腰圓孔先套準(zhǔn)3根槽樣棒，再將2導(dǎo)柱孔套入導(dǎo)柱，當(dāng)壓到底時(shí)即初步獲得扭斜角度。

圖6 上模板

圖7 導(dǎo)柱

1.2.3 壓裝

圖8 斜楔

1.2.4 脫模取件

再次放置壓板壓柱組合體后下壓，斜楔出現(xiàn)松動(dòng)并取下，氣壓機(jī)回程后依次序取下壓板壓柱組合體和上模板，定子鐵心和槽樣棒隨之脫落，取出帶軸承套筒定子鐵心便可進(jìn)入下一循環(huán)。

1.3 疊壓工裝結(jié)構(gòu)要求與特點(diǎn)分析

本疊壓模的使用設(shè)備是氣壓機(jī)，疊壓過(guò)程分3步進(jìn)行：48片散片在模具上的初始定位；扭斜壓緊；塞入軸承套筒并下壓緊配到位后順利脫模。

2) 定子鐵心實(shí)現(xiàn)一個(gè)齒距(端面20°)斜槽的主要技術(shù)手段是上模板與底板的3個(gè)槽樣棒定位等分孔相應(yīng)錯(cuò)開20°，底板的Φ3.5 mm槽樣棒定位孔在9 mm深直孔的原位，沿Φ52.5 mm圓周傾斜20.8°銑出斜孔(圖3)；圖6的上模板的Φ3.5 mm槽樣棒定位孔是在與底板相同位置打出直孔后，沿Φ52.5 mm圓周先銑出對(duì)應(yīng)中心端面20°的腰圓孔，再沿Φ52.5 mm圓周傾斜20.8°銑出斜孔。這樣的效果是，當(dāng)上模板的2導(dǎo)柱孔按底板外側(cè)的30°記號(hào)套入下模導(dǎo)柱并下壓到位后，就自然獲得定子鐵心外圓柱面一個(gè)齒距(端面20°)的斜槽角。故上模板和底板配作加工[5]2導(dǎo)柱孔和3槽樣棒孔至關(guān)重要。

3)在底板(圖3)的上平面車出Ф56.3 mm深0.5 mm的淺沉孔，以便于安放定子鐵心散片組。

4)必須確保圖2中件上模板、限位圖、底板的軸向尺寸大于導(dǎo)柱(圖7)尺寸57 mm，這是斜楔插入導(dǎo)柱3°斜孔后能產(chǎn)生預(yù)緊力的根本保證。

5)保證限位圈的軸向尺寸值略小于定子鐵心的疊厚，可有效防止定子鐵心端面因壓緊力過(guò)大而出現(xiàn)碟狀變形[4]。

2 浮動(dòng)定位機(jī)殼鉚壓工裝

在微電機(jī)中，交流風(fēng)機(jī)機(jī)殼一般采用鋁合金材料，但從節(jié)約成本和安全角度考慮，塑料機(jī)殼是較理想的選擇。鑒于交流風(fēng)機(jī)定子鐵心和鑄鋁轉(zhuǎn)子的重量都集中在機(jī)殼中央的支架部分，故有一類機(jī)殼采用了塑料外框與鋁合金支架通過(guò)鉚壓緊固的組合式機(jī)殼結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 組合式機(jī)殼

2.1 機(jī)殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

由圖10可知，殼體材料選用黑色尼龍66，為注塑件，其端面的4條寬8 mm、深2.5 mm的矩形槽用于配入定子鐵心支架,如圖11所示，該支架為鑄鋁合金(YL102)壓鑄件，它們之間通過(guò)4個(gè)空心鉚釘(GB-876-86)緊固聯(lián)接，從而兼得了內(nèi)緣強(qiáng)度高外部絕緣的性能。

圖10 殼體

圖11 定子鐵心支架

2.2 鉚壓工裝結(jié)構(gòu)分析

圖12為在氣壓機(jī)上工作的鉚壓工裝。該工裝由上、下模組成，其合模精度由4組導(dǎo)柱導(dǎo)套來(lái)保證。下模主要起到對(duì)機(jī)殼與支架的位置精度保證和完成鉚壓后的卸料任務(wù)。其中機(jī)殼內(nèi)緣浮動(dòng)定位心(如圖13所示)與支架孔定位心(如圖14所示)之間為過(guò)盈配合，使機(jī)殼內(nèi)緣與支架內(nèi)孔獲得圖紙所要求的同軸度，并且機(jī)殼外緣沿2個(gè)鉚爪座(如圖15所示)之間形成的底部導(dǎo)滑槽推至頂端，便獲得機(jī)殼鉚壓位置的初定位；限位柱與機(jī)殼內(nèi)緣浮動(dòng)定位心為過(guò)盈配合，其作用是確保上模下壓并完成鉚壓后上模壓板正好與限位柱相碰，從而保證了塑料機(jī)殼不會(huì)受損；彈性壓料板(如圖16所示)可以保持鉚爪(如圖17所示)在工作時(shí)的剛性及進(jìn)入鉚壓時(shí)塑料機(jī)殼與鋁合金支架之間的預(yù)緊。

圖12 浮動(dòng)定位機(jī)殼鉚壓工裝

圖13 機(jī)殼內(nèi)緣浮動(dòng)定位心

圖14 支架孔定位心

圖15 鉚爪座

圖16 彈性壓料板

圖17 鉚爪

2.3 工作原理

2.3.1 被鉚件的裝夾

1) 首先將模具安裝在氣壓機(jī)上，上模上行,使上下模分離。

3) 將上述組件沿2件下模鉚爪座組成的導(dǎo)滑槽推至頂端，此時(shí)4組鉚釘定位心(如圖18所示)、鉚爪和空心鉚釘已基本處于同一軸線上。

圖18 鉚釘定位心

2.3.2 鉚壓過(guò)程

1) 上模下行，4個(gè)鉚釘定位心同時(shí)插入其對(duì)應(yīng)的空心鉚釘?shù)膬?nèi)孔，使鉚釘?shù)奈恢毛@得導(dǎo)正。

2) 隨后上模壓板壓住空心鉚釘并迫使機(jī)殼和彈性壓料板(圖16)彈性下行(由于彈簧的作用)，從而消除了鉚釘、支架和機(jī)殼之間的軸向間隙。

3) 當(dāng)繼續(xù)下壓，鉚爪頭進(jìn)入空心鉚釘孔進(jìn)行翻鉚，當(dāng)上模壓板與限位柱相碰，即完成鉚壓。

4) 上?；爻?，由于鉚爪座兼?zhèn)鋭傂孕读系墓δ?，?個(gè)鉚釘定位心順利脫離鉚釘內(nèi)孔，水平抽出已鉚壓好的機(jī)殼，取下機(jī)殼內(nèi)緣浮動(dòng)定位心即可。

2.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1) 避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需采用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)[5]單個(gè)鉚壓所導(dǎo)致的支架軸承室軸線與機(jī)殼端面不垂直，且鉚壓效率低、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2) 由于受到機(jī)殼外緣雙法蘭限制，模具的鉚壓部件和機(jī)殼定位部件在空間上受到極大的限制，本設(shè)計(jì)所用鉚爪座(圖15)較好地解決了這一問(wèn)題，2件鉚爪座底部直角邊所構(gòu)成的側(cè)面導(dǎo)滑槽和頂部限位使機(jī)殼部件在下模得到可靠的定位。

3) 定子鐵心支架與機(jī)殼的相對(duì)位置采用了浮動(dòng)定位[2]。裝夾時(shí)內(nèi)含支架孔定位心(圖14)的機(jī)殼內(nèi)緣浮動(dòng)定位心(圖13)不能緊固在底板的中心孔中(否則將無(wú)法抽出機(jī)殼)，鑒于以上特點(diǎn)，可使機(jī)殼在下模得到了定位，那么只需將浮動(dòng)定位心(圖13)塞入機(jī)殼內(nèi)緣，在將定子鐵心支架的4叉放入機(jī)殼4條槽的同時(shí)，其中心的軸承孔也同時(shí)套入定位心(圖14)，這一過(guò)程未產(chǎn)生過(guò)定位，且鉚壓結(jié)束后均為間隙配合的定位心(圖13、圖14)，取出方便流暢，因而操作較方便。

4) 設(shè)置了一面二銷定位[2]的彈性壓料板，其2個(gè)孔分別套于2導(dǎo)柱上，并在其階臺(tái)孔與導(dǎo)柱之間安放了彈簧，使其在為鉚爪導(dǎo)向的同時(shí)，對(duì)機(jī)殼、支架和空心鉚釘孔起到了預(yù)壓緊(即消除軸向間隙)作用；

5) 上模下壓時(shí),4個(gè)鉚釘定位心(圖17)頭部為半圓形，對(duì)安裝在機(jī)殼和支架孔中的空心鉚釘起到了精定位作用。定位心插入端直徑為3.9 mm(與空心鉚釘內(nèi)孔有0.1 mm間隙)，這是兼顧了4個(gè)孔的孔距誤差，有效避免了過(guò)定位影響，實(shí)際效果較好。實(shí)際結(jié)果證明，鉚壓結(jié)束后的4個(gè)空心鉚釘孔可繼續(xù)作為用戶安裝孔，達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

在風(fēng)機(jī)產(chǎn)品中，常見的機(jī)殼零件是鋁合金或塑料的單一材料，鋁合金雖然強(qiáng)度高，但成本也高；塑料成本雖低，但強(qiáng)度也低。塑料框架與鋁合金支架相結(jié)合的組合式機(jī)殼可謂優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，依托浮動(dòng)定位機(jī)殼鉚壓工裝可使上述組合方式得以實(shí)現(xiàn)；對(duì)于有斜槽要求的定子鐵心，三針扭斜式定子鐵心疊壓工裝較好地解決了散片在定位和軸向預(yù)壓緊的同時(shí)，快速、高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)定子鐵心斜槽傾角的控制，有效削弱電機(jī)的齒槽效應(yīng)。由于上述工裝結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率高、構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，在微電機(jī)生產(chǎn)中具有一定的借鑒意義。