轉(zhuǎn)子薄壁保護(hù)套的加工方法及仿真分析

孔令光，曹德偉，楊 健，孫俊婷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

高轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速比高，均達(dá)到10 000 r/min。電機(jī)工作狀態(tài)下，表貼式磁鋼受到巨大的離心力作用，極易脫落，造成電機(jī)失效。以往無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子采用0.04 mm粗細(xì)的無(wú)維玻璃絲在磁鋼外圓密繞一層的方式對(duì)磁鋼進(jìn)行保護(hù)。由于密繞玻璃絲時(shí)必須刷膠固定，此道工序由人工操作，膠液厚度難以控制，當(dāng)涂膠時(shí)，由于重力作用，出現(xiàn)膠液向下聚集的現(xiàn)象，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子外圓尺寸超差。因無(wú)維玻璃絲強(qiáng)度有限，如人工密繞圈數(shù)不夠，同樣無(wú)法達(dá)到防止磁鋼脫落的目的。

為保證電機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠性，采用永磁體磁鋼外安裝保護(hù)套的結(jié)構(gòu)方案，保護(hù)套材料選擇高強(qiáng)比且不導(dǎo)磁的TC4鈦合金。然而，無(wú)刷電機(jī)氣隙較小，一般不大于1 mm。為保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保護(hù)套的單邊厚度必須控制在0.5 mm左右，屬于薄壁件結(jié)構(gòu)，加工以及運(yùn)輸環(huán)節(jié)都易因受力而變形，導(dǎo)致保護(hù)套無(wú)法安裝而報(bào)廢。

為了保證電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的可靠性，對(duì)控制保護(hù)套的精密加工、磁鋼與保護(hù)套的配合公差、安裝工藝技術(shù)等方面進(jìn)行研究分析。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

該高轉(zhuǎn)速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)身為圓形，屬細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，主要由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、軸承組成。此類(lèi)電機(jī)采用軸向裝配安裝，軸向裝配方式使電機(jī)牢固可靠，機(jī)械性能提高，整機(jī)能承受更大的振動(dòng)、沖擊載荷等。電機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，模型圖如圖2所示。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電機(jī)模型圖

2 轉(zhuǎn) 子

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

電機(jī)轉(zhuǎn)子主要由磁鋼、傳感器磁鋼、轉(zhuǎn)子保護(hù)套、轉(zhuǎn)軸、平衡圈和壓圈組成。

圖3為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

2.2 轉(zhuǎn)子保護(hù)套

轉(zhuǎn)子磁鋼采用表貼式結(jié)構(gòu)，永磁體采用高性能、耐溫范圍寬的稀土永磁材料釤鈷2∶17，產(chǎn)生等氣隙磁場(chǎng)。高速電機(jī)轉(zhuǎn)子作為高速運(yùn)行部件，為確保運(yùn)行可靠，結(jié)合仿真高轉(zhuǎn)速下各部分損耗曲線結(jié)果，轉(zhuǎn)子外圓采用鈦合金保護(hù)套結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 保護(hù)套示意圖

3 加工方法研究

轉(zhuǎn)子采用永磁體外安裝薄壁保護(hù)套結(jié)構(gòu)，按鈦合金線膨脹系數(shù)計(jì)算合適的加熱溫度,通過(guò)熱套方式進(jìn)行加工，并且轉(zhuǎn)子保護(hù)套與磁鋼采用膠粘劑安裝固定。加工過(guò)程中，通過(guò)控制保護(hù)套的精密加工、磁鋼與保護(hù)套的配合公差、安裝工藝技術(shù)，保證電機(jī)在高速運(yùn)行過(guò)程可靠工作。轉(zhuǎn)子保護(hù)套為單面0.5 mm的薄壁圓柱形結(jié)構(gòu)，材料為T(mén)C4，在加工中采用以下措施：

3.1 工藝頭定位

為解決轉(zhuǎn)子保護(hù)套在加工過(guò)程中發(fā)生形變、影響零件加工精度的問(wèn)題，必須首先認(rèn)清形變產(chǎn)生的原因。轉(zhuǎn)子保護(hù)套為薄壁件，車(chē)加工轉(zhuǎn)子保護(hù)套時(shí)，由于工件的剛性差，在車(chē)削過(guò)程中零件在卡盤(pán)擠壓下易發(fā)生形變，從而影響零件的加工精度[1]。

影響零件形變量的因素[2]：

KU=F

(1)

式中：K為零件的整體剛度矩陣；U為零件上節(jié)點(diǎn)的位移陣列；F為零件的載荷矩陣。由式(1)可知，可通過(guò)改變以上三個(gè)因素變量來(lái)減小零件的形變量：提高零件的整體剛度矩陣K；減小零件的載荷矩陣F；K和F保持不變，補(bǔ)償位移變形量U。

加工單邊厚度小的薄壁類(lèi)工件，在卡盤(pán)夾緊力和刀具切削力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的形變，加工完畢后取下工件，工件回彈變形較嚴(yán)重。

根據(jù)上述可知，控制變量載荷矩陣F可以控制變形量U。而載荷矩陣F在裝夾方案中涉及到兩個(gè)方面：卡盤(pán)裝夾力的位置、數(shù)目和大??；零件在裝夾力作用下反支撐力的位置、數(shù)目和大小。以上六個(gè)因素中任何一個(gè)因素變量都會(huì)引起變形量U的變化，所以通過(guò)改變夾緊力的位置可以減小變形。將夾緊力作用于剛性好的表面上(工藝頭)，在精車(chē)時(shí)外圓與內(nèi)孔一次裝夾完成加工，保證內(nèi)外圓的同心度以及內(nèi)孔圓度，并且在外圓留有一定的加工余量，保證保護(hù)套有一定的強(qiáng)度，防止運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程中變形。

3.2 去應(yīng)力熱處理

該類(lèi)零件的工藝流程：粗車(chē)→熱處理→精車(chē)。

為減小零件變形，保護(hù)套在加工時(shí)分粗車(chē)、精車(chē)，在精車(chē)前進(jìn)行去氫退火和去應(yīng)力退火熱處理，可以去除加工殘余應(yīng)力，減小變形量[3]。

3.3 轉(zhuǎn)子整體車(chē)削

轉(zhuǎn)子加工工藝流程：壓裝→粘接磁鋼/保護(hù)套→研磨中心孔→粗車(chē)外圓→激光刻編號(hào)→磨軸承檔→精車(chē)外圓→校動(dòng)平衡。

轉(zhuǎn)子保護(hù)套和磁鋼一同涂膠粘結(jié)，膠液加熱固化后，以轉(zhuǎn)軸加工基準(zhǔn)定位車(chē)削保護(hù)套外圓尺寸到位，并保證整體同心度，減小轉(zhuǎn)子不平衡量。

4 有限元仿真分析

4.1 護(hù)套強(qiáng)度計(jì)算

為確保轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)行可靠，通過(guò)ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套進(jìn)行分析，過(guò)盈量為0.01 mm時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套和磁鋼應(yīng)力影響進(jìn)行有限元仿真分析。

在不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子磁鋼受到的離心力計(jì)算如表1所示。選定最大的離心力進(jìn)行護(hù)套強(qiáng)度仿真，此時(shí)額定轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，護(hù)套和永磁體具體的材料屬性如表2所示。

表1 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力

表2 材料物性參數(shù)[4]

4.2 建立模型

高轉(zhuǎn)速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)體積小，但要求輸出功率大，因此電機(jī)的電磁負(fù)荷高，加之使用環(huán)境條件高，故電機(jī)溫升高，為確保電機(jī)正常工作必須進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)數(shù)值模擬分析，網(wǎng)格劃分采用有限元畫(huà)法，研究磁鋼外圓和轉(zhuǎn)子保護(hù)套內(nèi)孔在一定過(guò)盈量配合條件下的應(yīng)力分布及形變情況。

此模型主要為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子磁鋼和保護(hù)套以及鐵心所選用材料、配合尺寸是否滿足強(qiáng)度要求，故只取出其中三個(gè)零件進(jìn)行有限元分析，建立的模型如圖5所示。

圖5 有限元分析模型

4.3 模型參數(shù)

轉(zhuǎn)子的磁鋼和保護(hù)套之間的配合采用過(guò)盈配合，兩零件的接觸面為摩擦接觸，設(shè)置摩擦因子為0.2，同時(shí)在Ansys Workbench模塊中offset設(shè)置為0.01 mm來(lái)模擬兩者的配合過(guò)盈量，并對(duì)轉(zhuǎn)子整體設(shè)置轉(zhuǎn)速為15 000 r/min的慣性載荷。

4.4 仿真過(guò)程及結(jié)果

經(jīng)分析，轉(zhuǎn)子護(hù)套、磁鋼的過(guò)盈量分別為0.01 mm時(shí)應(yīng)力云圖如圖6～圖8所示。

由如圖6～圖8可知，在過(guò)盈量為0.01 mm條件下，護(hù)套的最大等效應(yīng)力為99.38 MPa，磁鋼的最大等效應(yīng)力為2.54 MPa，轉(zhuǎn)子的最大徑向位移為0.01 mm。

圖6 轉(zhuǎn)子護(hù)套的等效應(yīng)力

圖7 磁鋼的等效應(yīng)力

圖8 轉(zhuǎn)子的徑向位移

取護(hù)套的安全系數(shù)為1.5，其許用應(yīng)力為553 MPa>99.38 MPa，滿足強(qiáng)度要求。在不同過(guò)盈量下磁鋼的最大等效應(yīng)力為2.54 MPa, 取護(hù)套的安全系數(shù)為2，其許用應(yīng)力為40 MPa>2.54 MPa，滿足強(qiáng)度要求。在不同過(guò)盈量下轉(zhuǎn)子的最大徑向位移為0.01 mm，不超過(guò)定轉(zhuǎn)子氣隙值，滿足其要求。由此說(shuō)明，在此過(guò)盈量下，轉(zhuǎn)子護(hù)套和磁鋼都滿足強(qiáng)度及位移要求。

依據(jù)以上仿真結(jié)果，此加工方法生產(chǎn)的0.5 mm厚度的鈦合金轉(zhuǎn)子保護(hù)套，其強(qiáng)度和加工精度均滿足產(chǎn)品要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)刷伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子薄壁保護(hù)套的加工工藝技術(shù)的研究，提出工藝流程及加工中采取的措施，能有效解決實(shí)際問(wèn)題，滿足現(xiàn)階段對(duì)無(wú)刷伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子薄壁保護(hù)套強(qiáng)度及加工精度的要求。