盤式電機(jī)背鐵零件加工工藝設(shè)計(jì)*

石煜琳，楊 勇，郭捷立，翟方彤，溫樹彬

(1. 廣東技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510450； 2. 廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東 廣州 510450)

0 引 言

盤式電機(jī)外形扁平，在轉(zhuǎn)子軸上定子、轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 與傳統(tǒng)電機(jī)相比，盤式電機(jī)鐵芯利用率高、轉(zhuǎn)矩密度高、軸向尺寸短[1]。 高性能永磁材料和模擬數(shù)字專用集成電路等的發(fā)展促進(jìn)了盤式電機(jī)的不斷完善和進(jìn)步[2]。 盤式電機(jī)中定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體或粘有永磁體的圓盤[3]。 轉(zhuǎn)子厚度越薄、體積越小，電機(jī)的質(zhì)量就會(huì)越小，越有利于提高電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。 背鐵是用于固定轉(zhuǎn)子磁鋼的部分，是電機(jī)磁路重要的組成部分之一。 背鐵渦流損耗的大小直接影響了電機(jī)的性能。 筆者重點(diǎn)通過對(duì)盤式電機(jī)背鐵的機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)背鐵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，解決現(xiàn)有技術(shù)問題，滿足市場(chǎng)需求。

1 零件分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

盤式電機(jī)定子位于中間，是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的部分。 定子兩邊是永磁體圓盤轉(zhuǎn)子，通過被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的磁力線切割而產(chǎn)生電流[4]。 盤式電機(jī)背鐵外形也是圓盤狀，位于轉(zhuǎn)子的外側(cè)。 在磁場(chǎng)的作用下，背鐵容易產(chǎn)生渦流，溫度上升，這不僅降低盤式電機(jī)的效率，而且減少盤式電機(jī)的使用壽命。 因此，背鐵在盤式電機(jī)中起著關(guān)鍵作用，影響著盤式電機(jī)的發(fā)展。 盤式電機(jī)背鐵厚度薄，可達(dá)到減小體積的目的；中間的通孔為轉(zhuǎn)軸孔，便于整體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；環(huán)形凹槽的設(shè)計(jì)可以有效切斷渦流；凸臺(tái)的設(shè)計(jì)限制磁鋼周向運(yùn)動(dòng)，有利于磁鋼位置的穩(wěn)固[5]；八個(gè)M3 的孔為定位孔；背鐵表面鍍鎳，以提高其抗腐蝕性、抗磨損性，起到保護(hù)背鐵、延長(zhǎng)使用壽命的作用[6]。

1.2 零件圖樣分析

在盤式電機(jī)背鐵機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)前，需要對(duì)其零件圖進(jìn)行分析，以達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸和精度的要求。 由圖1 盤式電機(jī)背鐵零件圖分析可知，背鐵零件加工比較簡(jiǎn)單，技術(shù)要求比較低。 可根據(jù)其表面粗糙度的不同，選擇多樣化加工方法進(jìn)行粗加工與精加工。 如圖1 所示，背鐵表面粗糙度數(shù)值為Ra＝3.2 μm，Φ34.8±0.025 凸臺(tái)、Φ20±0.025 凸臺(tái)、Φ14±0.025 內(nèi)孔的表面粗糙度數(shù)值均為Ra＝1.6 μm，零件其它表面粗糙度數(shù)值均為Ra＝6.3 μm。 在加工背鐵零件過程中，確定定位基準(zhǔn)，零件部分端面要進(jìn)行倒角。

圖1 盤式電機(jī)背鐵零件圖

2 毛坯選擇

2.1 毛坯類型

因?yàn)殇搩r(jià)格低廉且能滿足大部分產(chǎn)品使用需求，所以它在中國是使用最廣泛的金屬材料之一。 不論是在機(jī)械工程領(lǐng)域還是在日常生活中，它都是不可缺少的材料。 根據(jù)含碳量的大小鋼可分為高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)可得，1010 鋼的含碳量小于0.25%，所以屬于低碳鋼，也是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 低碳鋼具有塑性和韌性好的特點(diǎn)，進(jìn)行切削加工較為容易，具有良好的切削加工性能。 其特點(diǎn)能夠滿足盤式電機(jī)背鐵所需性能，因此盤式電機(jī)背鐵選用材料為1010 鋼的毛坯。

2.2 毛坯形狀及尺寸

選擇合適的毛坯形狀及尺寸在零件加工中也是極為重要的步驟，若選擇不合適的毛坯形狀或尺寸，可能出現(xiàn)加工余量不足或加工余量太多，從而導(dǎo)致材料浪費(fèi)等問題出現(xiàn)。 從盤式電機(jī)背鐵零件圖可知，零件大體形狀為輪盤形，所以選擇形狀為圓柱的毛坯。最大外圓輪廓尺寸為71 mm，軸向最大尺寸為7.8 mm。 選用的毛坯尺寸需大于零件的最大輪廓尺寸，且為保證其精度，需具有一定的加工余量。 在不影響加工出的零件精度的情況下，以盡可能地節(jié)省材料為選取毛坯的原則，最終確定毛坯尺寸為直徑為75 mm，厚度為12 mm。

3 加工工藝路線的確定

3.1 確定定位基準(zhǔn)

定位基準(zhǔn)選擇的不同也會(huì)影響加工質(zhì)量，為避免因設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)不同而導(dǎo)致的誤差，在盤式電機(jī)背鐵零件中選擇Φ18 孔作為設(shè)計(jì)-裝夾-測(cè)量基準(zhǔn)。 精加工是為了保證加工精度和表面粗糙度，所以精加工時(shí)需使用已加工表面作為基準(zhǔn)。粗車和精車內(nèi)孔時(shí)，選擇外圓面為定位基準(zhǔn)。

3.2 零件表面加工方法選擇

從零件圖可知盤式電機(jī)背鐵零件復(fù)雜程度一般，需加工表面較多，有左右兩端面、通孔、錐形槽、凸臺(tái)、8 個(gè)M3 的螺紋孔。 毛坯材料選用了1010 鋼。 各個(gè)需加工的表面尺寸、形狀、加工要求各不相同，查閱機(jī)械工藝手冊(cè)，選擇使用不同的加工方法。

3.3 零件機(jī)械加工工藝路線

盤式電機(jī)背鐵材料牌號(hào):1010 鋼，毛坯尺寸:Φ75×12，加工設(shè)備型號(hào):大連DT40 車削中心。 為了進(jìn)行盤式電機(jī)背鐵加工，需要設(shè)計(jì)專有的加工工藝路線。首先，對(duì)毛坯的右端面進(jìn)行粗加工，去除毛坯余量，得到Φ71 mm 外圓，接著粗車、半精車和精車得到103°的錐形槽；其次，轉(zhuǎn)換為銑刀，車尺寸為Φ18 mm 凹槽，粗車、半精車和精車Φ12.4 mm 通孔和Φ14 mm內(nèi)孔；第三，轉(zhuǎn)換工件面，使用夾具固定工件，粗車、半精車和精車得到Φ34.8、Φ24、Φ20 mm 的凸臺(tái)；最后，按圖紙要求鉆8 個(gè)M3 的孔，并對(duì)M3 的孔攻螺紋以及工件部分輪廓進(jìn)行倒角。 故完成盤式電機(jī)背鐵的工藝加工，具體加工工藝路線如表1 所列。

表1 盤式電機(jī)背鐵的加工工藝路線

續(xù)表1 盤式電機(jī)背鐵的加工工藝路線

4 確定零件工序尺寸

盤式電機(jī)背鐵有3 個(gè)標(biāo)注公差的尺寸表面，為了達(dá)到規(guī)定的尺寸公差和一定的表面粗糙度需要在車削中心對(duì)其多次加工。 在零件加工過程中，加工余量是指從毛坯表面切除的金屬厚度，可以分為工序余量和加工總余量[7]。 根據(jù)盤式電機(jī)背鐵零件圖確定毛坯尺寸、加工總余量、工序加工余量，通過正確的相加減運(yùn)算可計(jì)算出每道工序的工序尺寸。 盤式電機(jī)背鐵標(biāo)注公差尺寸的工序雙邊余量、工序尺寸及公差和表面粗糙度的具體數(shù)值如表2 所列。

表2 盤式電機(jī)背鐵標(biāo)注公差尺寸的加工余量、工序尺寸及表面粗糙度

在零件圖樣中，盤式電機(jī)背鐵的軸向尺寸公差未標(biāo)注，因此對(duì)其的軸向尺寸精度要求較小，部分工序尺寸和公差不需要用到工藝尺寸鏈的計(jì)算方法。 在此零件中，加工總余量等于毛坯的長(zhǎng)度減去盤式電機(jī)背鐵的軸向尺寸，所以加工總余量為:12-7.8＝4.2 mm，余量加工在兩道工序中完成，分別為工序1 使用35°尖刀切除2.7 mm，工序16 使用Φ10 銑刀切除1.5 mm。

加工Φ34.8±0.025 凸臺(tái)時(shí)，因其尺寸精度和表面粗造度要求高，選用Φ10 銑刀進(jìn)行粗車、半精車、精車三道工序。 根據(jù)盤式電機(jī)背鐵零件圖的分析和計(jì)算，Φ34.8±0.025 凸臺(tái)軸向加工余量為40.2 mm，粗車和半精車分別去除39.2 mm 和0.8 mm 加工余量，最后精車去除0.2 mm 的加工余量。

Φ20±0.025 凸臺(tái)的尺寸精度和表面粗造度要求也同樣較高，要完成粗車、半精車、精車三道工序以達(dá)到其要求，Φ20±0.025 凸臺(tái)的軸向加工余量為4 mm，首先粗車去除3.7 mm 的加工余量，再經(jīng)過半精車去除0.2 mm 的加工余量，最后精車去除0.1 mm 的加工余量。

5 選擇加工設(shè)備與刀具

分析盤式電機(jī)背鐵的零件圖可以得出，背鐵為圓周對(duì)稱零件并且尺寸不大。 完成零件加工需要三步，分別為車削、銑削和鉆削。 為保證零件加工時(shí)的工作效率，要求只使用一臺(tái)機(jī)床完成加工的同時(shí)減少其換刀時(shí)間，降低安裝工件的次數(shù)，因此盤式電機(jī)背鐵使用車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行加工制造。

車銑復(fù)合加工中心可以實(shí)現(xiàn)車削和銑削加工，可以提高盤式電機(jī)背鐵零件的加工精度和效率。 由于車銑復(fù)合機(jī)床的刀架安裝有動(dòng)力刀座，可以根據(jù)需要使刀具旋轉(zhuǎn)任意角度[8]。 工件通過裝夾，能實(shí)現(xiàn)車削、銑削、鉆削和攻絲[9-10]。 根據(jù)盤式電機(jī)背鐵零件圖和實(shí)際情況分析，選用現(xiàn)有的大連DT40 車削中心，能夠滿足盤式電機(jī)背鐵零件的加工。

在加工前需要備好加工刀具，并安裝刀具。 在車端面、車外圓和車斜槽時(shí)使用35°尖刀，粗車、半精車和精車Φ34.8、Φ24 mm 和Φ20 mm 的凸臺(tái)使用Φ10銑刀，粗車、半精車和精車Φ12.4 mm 通孔使用Φ5 mm 的銑刀，粗車、半精車和精車Φ14 mm 內(nèi)孔使用Φ10 mm 銑刀。

6 零件加工

準(zhǔn)備好毛坯和所需的工具和設(shè)備，加工人員根據(jù)車間要求穿戴整齊進(jìn)入車間即可開始加工零件，按照上述的工序及工藝方法進(jìn)行加工，加工出盤式電機(jī)背鐵零件，使用量具檢測(cè)，公差尺寸在零件圖上所標(biāo)的范圍內(nèi)，達(dá)到零件圖的尺寸要求和加工精度要求，為合格品零件。 盤式電機(jī)背鐵零件實(shí)物如圖2所示。

圖2 盤式電機(jī)背鐵零件實(shí)物圖

7 結(jié) 語

針對(duì)盤式電機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸短等特點(diǎn)，為防止盤式電機(jī)背鐵在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)脫落，避免背鐵渦流影響電機(jī)性能，提出了盤式電機(jī)背鐵零件加工設(shè)計(jì)工藝路線。 先分析盤式電機(jī)背鐵零件圖，了解背鐵零件加工要求，確定各工序加工余量，選擇適合的毛坯材料和尺寸，確定背鐵工序尺寸，選擇適合的加工設(shè)備和刀具，完成零件加工。 經(jīng)測(cè)量，背鐵的公差尺寸在零件圖上所標(biāo)的范圍內(nèi)，是合格零件。 背鐵凹槽可有效防止渦流的產(chǎn)生，從而避免溫度升高。 凸臺(tái)有助于磁鋼的穩(wěn)固。 文中研究設(shè)計(jì)的盤式電機(jī)背鐵零件加工工藝滿足市場(chǎng)對(duì)背鐵的結(jié)構(gòu)和功能要求，不僅節(jié)省了材料而且還提高了效率，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)問題，促進(jìn)盤式電機(jī)的發(fā)展。