電機(jī)機(jī)座加工工藝裝備設(shè)計(jì)分析及仿真研究

蘆懷志，張明秋，王殿君，張吉生

(黑龍江工業(yè)學(xué)院現(xiàn)代制造工程學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

電機(jī)機(jī)座是電機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要組成，通過鐵芯檔內(nèi)圓與定子鐵芯配合，實(shí)現(xiàn)固定及支撐定子鐵芯的作用，通過其兩端內(nèi)止口與端蓋配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)繞組的保護(hù)及對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐作用[1]，更關(guān)鍵的是，電機(jī)機(jī)座的機(jī)械制造精度對(duì)于電機(jī)性能具有重要影響。電機(jī)機(jī)座兩端內(nèi)止口軸心線相對(duì)于定子鐵芯檔內(nèi)圓軸心線的同軸度精度很可能對(duì)定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙均勻性產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)正常工況下電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響[2-3]。在應(yīng)用現(xiàn)有立式車床及設(shè)備的基礎(chǔ)上，為達(dá)到改善電機(jī)機(jī)座加工同軸度誤差的目的，研發(fā)電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備。

1 電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備設(shè)計(jì)分析

電機(jī)制造企業(yè)針對(duì)電機(jī)機(jī)座加工的同軸度誤差工藝要求規(guī)定為≤0.03 mm，但在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用定位胎具作為定位工裝對(duì)電機(jī)機(jī)座內(nèi)止口定位裝夾時(shí)，在電機(jī)機(jī)座內(nèi)止口與定位胎具之間的間隙配合影響下，會(huì)引起電機(jī)機(jī)座兩端內(nèi)止口的軸線相對(duì)于鐵芯檔內(nèi)圓的軸線發(fā)生偏移并產(chǎn)生基準(zhǔn)位置誤差，導(dǎo)致加工后的電機(jī)機(jī)座其同軸度誤差超差30%～50%，有時(shí)甚至達(dá)到0.05 mm以上[4]。針對(duì)電機(jī)機(jī)座加工同軸度超差問題，解決思路是從根本上消除基準(zhǔn)位置誤差為目的，研發(fā)設(shè)計(jì)電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備。

電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備整體結(jié)構(gòu)主要由定心定位機(jī)構(gòu)、齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)、螺旋壓板機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、底座等機(jī)構(gòu)組成。利用專用工藝裝備對(duì)電機(jī)機(jī)座裝夾前后分別如圖1和圖2所示。定心定位機(jī)構(gòu)作為最核心的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)機(jī)座內(nèi)止口的定心定位精度，其主要工作原理是通過圓錐面對(duì)彈性套內(nèi)表面產(chǎn)生擠壓作用，迫使彈性套變形并壓緊內(nèi)止口，從而實(shí)現(xiàn)定心定位，消除基準(zhǔn)位置誤差，如圖3所示。齒輪齒條機(jī)構(gòu)作為升降機(jī)構(gòu)，主要用于實(shí)現(xiàn)定心定位機(jī)構(gòu)的升降；螺旋壓板機(jī)構(gòu)主要用于對(duì)定位后的電機(jī)機(jī)座進(jìn)行夾緊及固定；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)定心定位機(jī)構(gòu)按指定路徑升降的作用；底座主要用于保證定心定位機(jī)構(gòu)定位準(zhǔn)確及對(duì)各機(jī)構(gòu)的支撐固定。

圖1 電機(jī)機(jī)座裝夾前Fig.1 Before clamping the motor frame

圖2 電機(jī)機(jī)座裝夾后Fig.2 After clamping the motor frame

圖3 電機(jī)機(jī)座與彈性套配合定位示意圖Fig.3 Schematic diagram of the positioning of motor frame and elastic sleeve

2 電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備定位誤差分析及計(jì)算

利用定位工裝對(duì)一批電機(jī)機(jī)座進(jìn)行定位過程中，由于電機(jī)機(jī)座與定位工裝的定位部件之間存在定位誤差，引起這批電機(jī)機(jī)座在定位后的位置不完全一致，導(dǎo)致電機(jī)機(jī)座加工產(chǎn)生加工誤差。定位誤差作為加工誤差的重要組成部分，主要反映電機(jī)機(jī)座的兩端內(nèi)止口軸線與定子鐵芯軸線的最大位置變動(dòng)量所引起的加工誤差。因此，工裝設(shè)計(jì)過程中有必要對(duì)定位誤差進(jìn)行分析計(jì)算，保證電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備設(shè)計(jì)符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

以加工YB-225S型電機(jī)的電機(jī)機(jī)座為例，電機(jī)機(jī)座內(nèi)止口在第一次精車按基孔制加工后的尺寸為Φ284+0.060 mm，與其間隙配合的定位胎具尺寸為Φ2 840-0.03 mm。定位誤差從產(chǎn)生原因角度可以分為定位基準(zhǔn)不重合誤差δ不重和定位基準(zhǔn)位置誤差δ位置兩種[5-6]。夾具定位方案中，由于電機(jī)機(jī)座的定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)是重合的，故δ不重=0 mm；而定位基準(zhǔn)位置誤差δ位置主要與定位胎具外圓尺寸變動(dòng)量T定位胎具、電機(jī)機(jī)座內(nèi)孔尺寸變動(dòng)量TD及定位胎具外圓尺寸與電機(jī)機(jī)座內(nèi)孔尺寸最小配合間隙Xmin等一系列參數(shù)相關(guān)，根據(jù)定位誤差計(jì)算公式可以得到：

定位基準(zhǔn)不重合誤差：δ不重=0 mm，

定位基準(zhǔn)位置誤差：δ位置=TD+T定位胎具+Xmin=0.06+0.03=0.09 mm。

因此，傳統(tǒng)工藝方案中利用定位胎具定位的定位誤差為：δ定位=δ不重+δ位置=0+0.09=0.09 mm，而實(shí)際生產(chǎn)圖紙要求電機(jī)機(jī)座兩端內(nèi)止口對(duì)鐵芯檔內(nèi)圓的同軸度誤差為0.03 mm。工程設(shè)計(jì)中認(rèn)為定位誤差<(1/5～1/3)控制誤差時(shí)，定位方案才被認(rèn)為合理，而定位誤差δ定位=0.09 mm﹥﹥0.006～0.01 mm，故定位方案不合理。

對(duì)電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備的定位誤差進(jìn)行分析計(jì)算，可求得基準(zhǔn)不重合誤差δ不重=0；由于電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心定位，達(dá)到了消除基準(zhǔn)位置誤差的目的，故基準(zhǔn)位置誤差δ位置=0，從而計(jì)算出定位誤差δ定位=δ不重+δ位置=0，故定位方案合理。

3 電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備夾緊力計(jì)算

電機(jī)機(jī)座定位夾緊后，加工過程中會(huì)受到許多外力(如切削力、慣性力等)的作用，破壞電機(jī)機(jī)座定位的準(zhǔn)確性。因此必須應(yīng)用夾緊夾具對(duì)電機(jī)機(jī)座夾緊定位，使其在加工過程中不會(huì)因受切削力、慣性力等作用而使電機(jī)機(jī)座發(fā)生偏移或振動(dòng)。

應(yīng)用螺旋壓板機(jī)構(gòu)配合電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備對(duì)電機(jī)機(jī)座進(jìn)行夾緊固定。以加工YB-225S型電機(jī)的電機(jī)機(jī)座為例，由于電機(jī)機(jī)座粗車加工階段比精車加工切削量量大，根據(jù)切削力與切削量關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：FZ=150apf0.75，可知在切削深度一定時(shí)，切削量f越大，主切削力越大。因此研究電機(jī)機(jī)座加工粗車加工階段的切削力即可。電機(jī)機(jī)座粗加工階段加工參數(shù)如表1所示。

表1 加工參數(shù)Tab.1 Machining parameter

電機(jī)機(jī)座隨卡盤旋轉(zhuǎn)線速度為v=2πnr=115.6(m/min)。

分析應(yīng)用數(shù)控立式車床加工電機(jī)機(jī)座夾緊力有如下關(guān)系：

F主切削力=FZ，F(xiàn)軸向切削力=Fx，F(xiàn)徑向切削力=Fy

依據(jù)計(jì)算切削力經(jīng)驗(yàn)公式，可估算出數(shù)控立式車床加工電機(jī)機(jī)座主切削力大?。?/p>

通過查詢金屬切削手冊(cè)相關(guān)參數(shù)及修正系數(shù)[7-8]，可算得主切削力Fz=1 260 N。

由于主切削力、徑向切削力、軸向切削力三者存在比例關(guān)系：Fz∶Fx∶Fy=1∶0.5∶0.6

可計(jì)算得Fy=756 N。

通過測(cè)量和查表可知：電機(jī)機(jī)座體積V=1.32×107mm3，其密度為ρ=7.4×10-9ton/mm3。

可計(jì)算出電機(jī)機(jī)座質(zhì)量和重力：m=ρV=97.68 Kg，G=mg=948.64 N。

取電機(jī)機(jī)座鑄件的摩擦系數(shù)μ=0.26(μ=0.2～0.3)。

代入尺寸參數(shù)：電機(jī)機(jī)座的內(nèi)止口半徑為r=140 mm，電機(jī)機(jī)座的底邊摩擦力作用點(diǎn)距其圓心的距離為156 mm。

通過電機(jī)機(jī)座摩擦力與夾緊力關(guān)系式，計(jì)算夾緊力：W=Ff/μ=(FZ×r/8R+Fy/8)/μ=907.12 N。

代入安全系數(shù)K=2.8(電機(jī)機(jī)座粗車階段，安全系數(shù)取值區(qū)間為K=2.5～2.8)，最終可計(jì)算出粗車加工階段所需實(shí)際夾緊力：W實(shí)=K·W=2 539.94 N。

4 電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備UG運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真前，必須弄清各運(yùn)動(dòng)桿件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，否則無法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[9-10]。因此，對(duì)應(yīng)用專用工藝裝備加工電機(jī)機(jī)座過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，分為定心定位機(jī)構(gòu)上升、應(yīng)用偏心部件定心定位、利用螺旋壓板機(jī)構(gòu)夾緊、偏心部件恢復(fù)初始位置、定心定位機(jī)構(gòu)恢復(fù)初始位置這5個(gè)階段。電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備UG運(yùn)動(dòng)仿真分以下步驟：

一是導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊。在UGNX8.0的建模板塊進(jìn)行電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備的各部件建模，再通過模擬裝配板塊對(duì)已建的模型進(jìn)行裝配，待模擬裝配完成后將電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊Fig.4 Import of the motion simulation module

二是建立剛性連桿。對(duì)電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備的運(yùn)動(dòng)部件建立剛性連桿，注意各個(gè)剛性連桿的內(nèi)部零件無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 建立剛性桿件Fig.5 Establishment of rigid rod

三是定義運(yùn)動(dòng)副。通過定義運(yùn)動(dòng)函數(shù)施加運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真過程，如圖6所示。四是解算運(yùn)動(dòng)方案。運(yùn)用后處理模塊解算運(yùn)動(dòng)方案對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真過程進(jìn)行解算分析，如圖7所示。

圖6 定義運(yùn)動(dòng)副Fig.6 Definition of kinematic pair

圖7 解算運(yùn)動(dòng)方案Fig.7 Scheme of calculation motion

5 結(jié)語

在對(duì)電機(jī)機(jī)座加工過程充分研究的基礎(chǔ)上，為了達(dá)到改善電機(jī)機(jī)座加工同軸度誤差的目的，設(shè)計(jì)了電機(jī)機(jī)座加工專用工藝裝備，對(duì)定位誤差及夾緊力進(jìn)行分析計(jì)算，運(yùn)用UG軟件，對(duì)電機(jī)機(jī)座加工過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)了改善電機(jī)機(jī)座加工質(zhì)量的目標(biāo)。