提升電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心線切割精度的工藝研究

柳振方,李廣林,王 斌,趙 凱,李天文,顧博宇

(首鋼智新遷安電磁材料有限公司,遷安 064400)

0 引 言

在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心制作過(guò)程中,電火花線切割加工在各類加工形式中對(duì)鐵心性能影響相對(duì)較小,可以方便地加工各類電機(jī)鐵心形狀,適合用于研發(fā)類電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心的加工制作。

線切割加工時(shí),通常將加工樣品固定于線切割機(jī)床,然后依據(jù)事先編譯好的程序或CAD圖紙將樣品加工成所要的形狀。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心形狀復(fù)雜,制作電機(jī)鐵心的無(wú)取向硅鋼片的厚度普遍在0.35 mm以下,而且在加工過(guò)程中為了提升加工效率,需要疊到一定高度后進(jìn)行加工,對(duì)尺寸精度控制要求更為嚴(yán)格,且無(wú)取向硅鋼片本身導(dǎo)電性能較差等情況,因此電動(dòng)汽車用電機(jī)鐵心在線切割加工時(shí),需要在常規(guī)線切割工藝上進(jìn)行工藝優(yōu)化[1]。

通過(guò)提升電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心線切割精度的工藝研究,提升了線切割加工的精度,保障電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)需求,避免因加工精度差而影響電機(jī)樣機(jī)的制作,甚至影響到電機(jī)性能。

1 伺服中走絲線切割機(jī)介紹

1.1 設(shè)備組成

伺服中走絲線切割機(jī)主要由機(jī)床主體、工作液系統(tǒng)、數(shù)控和伺服系統(tǒng)等組成。

1.2 工作原理及流程

伺服中走絲線切割機(jī)利用連續(xù)移動(dòng)的電極絲(鉬絲)作為電極,對(duì)加工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬工件,在系統(tǒng)控制下,按預(yù)定軌跡對(duì)工件進(jìn)行電火花切割加工成型[2-3]。

加工件接入脈沖電源正極,鉬絲作為切割電極接入高頻脈沖電源負(fù)極,鉬絲與加工件之間保持一定空隙形成放電間隙。在電場(chǎng)的作用下,陰極和陽(yáng)極表面分別受到電子流和離子流的轟擊,在電極和加工件的間隙內(nèi)形成瞬時(shí)高溫?zé)嵩?使局部金屬熔化和氣化,從而對(duì)加工件進(jìn)行切割。在鉬絲和加工部位之間澆注工作液,幫助排除加工間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物和冷卻電極。貯絲筒上的伺服電機(jī)帶動(dòng)鉬絲作正反向交替移動(dòng),工作臺(tái)按預(yù)定的控制程序,根據(jù)火花間隙狀態(tài)作伺服進(jìn)給移動(dòng),從而把工件切割成設(shè)定的形狀。線切割流程如圖1所示。

圖1 線切割流程

2 提升加工精度的工藝研究

在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心的整個(gè)加工流程中,不論是無(wú)取向硅鋼樣片的前處理,還是加工定位、鉬絲補(bǔ)償?shù)榷紩?huì)影響到鐵心加工的最終精度。線切割加工無(wú)取向硅鋼片時(shí),為了提高加工效率,采用疊加樣片的形式將硅鋼片疊到指定高度進(jìn)行加工。在應(yīng)用研究過(guò)程中,從硅鋼疊片、加工定位、參數(shù)設(shè)定等多方面進(jìn)行分析,旨在提升線切割機(jī)加工電機(jī)鐵心的精度,確保線切割加工滿足電機(jī)鐵心設(shè)計(jì)要求。

下面以某一新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子鐵心為例,某定子鐵心外圓尺寸為210 mm,尺寸偏差要求控制在+0.05 mm～+0.08 mm,定子鐵心外圓與齒部?jī)?nèi)徑同軸度偏差要求控制在0.03 mm以內(nèi)。目前加工硅鋼樣片制作電機(jī)定子鐵心,樣片疊加到所需高度后直接進(jìn)行加工,樣片受固定、定位等因素影響,單片的定子鐵心外徑尺寸在210.00～210.13 mm,同軸度偏差主要在0.12 mm以內(nèi),尺寸偏差較大,加工后的樣片無(wú)法滿足電機(jī)鐵心的后續(xù)制作。

2.1 無(wú)取向硅鋼樣片的疊加

用于制作電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心的無(wú)取向硅鋼片厚度普遍在0.35 mm以下,為提高加工效率,一般采取硅鋼樣片疊加到一定厚度(30～105 mm)的方式進(jìn)行線切割加工,有時(shí)甚至疊加到110 mm的厚度進(jìn)行線切割加工。樣片疊加后直接放到線切割機(jī)橋架上,會(huì)自然彎曲形成一個(gè)弧度,此時(shí)樣片的加工精度無(wú)法得到保障。

此外,對(duì)于電機(jī)鐵心,需要加工鐵心內(nèi)圓和外圓,在線切割加工硅鋼片之前,需要使用穿孔機(jī)對(duì)疊加好的硅鋼片進(jìn)行穿孔。疊加的硅鋼片在穿孔過(guò)程中容易鼓起或翹邊,導(dǎo)致硅鋼片局部變形,直接影響后續(xù)線切割加工的精度。

針對(duì)上述問(wèn)題,嘗試采用夾板固定疊加的硅鋼片,四角采用螺栓進(jìn)行疊加樣片的固定。此方法可以較好的固定樣片,并且有夾板支撐,樣片放置在穿孔機(jī)和線切割工作臺(tái)上時(shí)不會(huì)發(fā)生變形。在緊固螺栓過(guò)程中,如果對(duì)四角的螺栓施力過(guò)大,將導(dǎo)致中間部位有輕微鼓起,線切割加工完成后尺寸誤差較大,不滿足電機(jī)設(shè)計(jì)需求。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證探索,采用焊接方式對(duì)疊加硅鋼片進(jìn)行邊部固定。根據(jù)電機(jī)鐵心圖紙,選定要求的尺寸及厚度的散片后,在樣片上下各疊加一塊厚度約3～5 mm、表面平整的鋼板,然后使用壓力機(jī)將樣片壓緊,采用焊機(jī)在疊加樣片四周進(jìn)行焊接。焊接后的硅鋼疊片如圖2所示。此方法保障了硅鋼樣片整體平整,焊接也使硅鋼片之間導(dǎo)電性更好,有利于線切割電火花放電加工。

圖2 焊接后的硅鋼疊片

無(wú)取向硅鋼樣片的疊加直接影響到穿孔及線切割的加工,在疊加過(guò)程中必須保證硅鋼片整體平整,無(wú)鼓起、翹邊等情況,否則將直接影響后期加工的尺寸精度;同時(shí)在疊加環(huán)節(jié)利用焊接解決了樣片之間的導(dǎo)電性問(wèn)題,有利于后續(xù)線切割的加工。

2.2 疊加樣片的精準(zhǔn)定位

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心在整體成形的基礎(chǔ)上會(huì)有多處開(kāi)孔,需要多次穿絲。待加工樣品在穿孔和線切割時(shí)需要進(jìn)行精準(zhǔn)定位,并確保定位一致,才能確保線切割的穿絲切割。若在穿孔機(jī)和線切割機(jī)上的定位只靠肉眼或者直尺測(cè)量,則偏差較大,影響電機(jī)鐵心的最終加工。

經(jīng)過(guò)摸索驗(yàn)證,利用百分表進(jìn)行精準(zhǔn)定位,檢查待加工樣品的同一基準(zhǔn)邊在穿孔和線切割時(shí),都與設(shè)備工作臺(tái)面保持X方向或者Y方向平行。

定位時(shí)將百分表通過(guò)磁力座吸附在穿孔機(jī)主軸上,使百分表的測(cè)量頭與待加工樣品側(cè)面接觸,調(diào)整指針使其擺動(dòng)1圈,然后把刻度盤(pán)零位對(duì)準(zhǔn)指針,搖動(dòng)工作臺(tái)沿X方向慢慢移動(dòng)待加工樣品,觀察百分表指針擺動(dòng)情況并調(diào)整樣品,指針擺動(dòng)在0.02 mm內(nèi)則滿足要求。在百分表接觸的位置進(jìn)行標(biāo)記作為基準(zhǔn)位置的參考線,樣品在穿孔機(jī)和線切割機(jī)上都采用此同一基準(zhǔn)位置進(jìn)行定位。百分表固定在線切割機(jī)上時(shí),百分表指針同樣接觸此參考線,移動(dòng)線切割機(jī)加工平臺(tái)X方向,依據(jù)在穿孔機(jī)上的調(diào)整方法進(jìn)行檢查并調(diào)整樣品位置,使樣品在兩臺(tái)設(shè)備上的定位保持一致,從而確保線切割在多次穿絲走位的情況下仍能夠進(jìn)行精準(zhǔn)定位加工。利用百分表定位如圖3所示。

圖3 百分表在穿孔、線切割時(shí)精準(zhǔn)定位

2.3 線切割加工工藝研究

2.3.1 鉬絲垂直度校準(zhǔn)

在線切割加工之前,首先檢測(cè)鉬絲的上下絲架是否存在偏移,確認(rèn)后使用鉬絲垂直校正塊來(lái)觀察上下電火花是否均勻,依此判斷調(diào)整鉬絲X方向和Y方向的垂直度。設(shè)備精度的保證,是加工電機(jī)鐵心精度得到保證的前提。

采用電火花放電法調(diào)整垂直度比較直觀,偏差較小,而且方便快捷。校準(zhǔn)時(shí),在無(wú)水小電流狀態(tài)下,一般只需要開(kāi)啟線切割的一路功放管。如圖4所示,將垂直校準(zhǔn)塊放置在線切割支撐橋架上,分別緩慢移動(dòng)X、Y方向工作臺(tái),使校準(zhǔn)塊輕輕接觸放電鉬絲,觀察標(biāo)準(zhǔn)塊與鉬絲輕觸時(shí)的上下電火花情況,依此判斷鉬絲垂直情況并針對(duì)X和Y方向分別進(jìn)行調(diào)整。在X、Y兩個(gè)方向上交替調(diào)整,重復(fù)兩次,可將誤差控制在0.01 mm以內(nèi)。

圖4 使用垂直校準(zhǔn)塊進(jìn)行鉬絲垂直度校準(zhǔn)

2.3.2 線切割工藝參數(shù)設(shè)定

根據(jù)硅鋼片疊加厚度、表面粗糙度要求等,分析脈間、脈寬、功放、進(jìn)給速度等對(duì)表面粗糙度、穩(wěn)定性及加工效率的影響[4-5],并在每次切割前確認(rèn)鉬絲直徑,預(yù)判鉬絲損耗及壽命,根據(jù)鉬絲實(shí)際直徑和放電間隙計(jì)算補(bǔ)償值,制定最佳的線切割參數(shù)。要獲得較好的表面粗糙度,則需要選用較小的切割參數(shù);若追求較高的切割效率,則需要選用較大的脈沖參數(shù)。而加工電流的增大容易引起斷絲,會(huì)影響加工效率。

電流的穩(wěn)定與否可以在一定程度上判斷工藝參數(shù)的設(shè)定是否匹配,適當(dāng)范圍內(nèi)穩(wěn)定的電流可以保障線切割加工過(guò)程中的穩(wěn)定性,電流越大,加工效率越高,但相應(yīng)的表面粗糙度和尺寸精度會(huì)有所下降。通過(guò)摸索總結(jié)發(fā)現(xiàn),切割過(guò)程中電流穩(wěn)定在1.5～2.0 A之間,可以確保電機(jī)定子鐵心加工表面達(dá)到設(shè)計(jì)要求,表面粗糙度優(yōu)于Ra3.2,邊部毛刺小于0.04 mm[6-7]。表1為某0.35 mm規(guī)格無(wú)取向硅鋼片疊加不同厚度摸索出的工藝參數(shù),不同線切割機(jī)之間參數(shù)的定義可能存在一定差異。

表1 不同疊加厚度對(duì)應(yīng)的線切割工藝參數(shù)

2.3.3 加工工件固定技術(shù)

在線切割加工過(guò)程中,由于受切割加工而分離的樣品的自身質(zhì)量、切削乳化液水流沖擊等因素的影響,切割開(kāi)的樣品與母體材料之間存在鉬絲直徑加放電間隙的切割縫隙,很容易發(fā)生樣品傾斜情況;且切割分離開(kāi)的樣品自身變形產(chǎn)生的樣品傾斜會(huì)改變線切割路徑,直接影響樣品的加工精度。因此,需要及時(shí)將切割分離的樣品進(jìn)行固定,確保不影響后續(xù)未切割部分產(chǎn)生變形等。

如圖5所示,設(shè)計(jì)了一種線切割加工工件的輔助固定支撐裝置,用于輔助固定支撐線切割加工后分離開(kāi)的硅鋼樣片與母料,使加工工件不發(fā)生偏斜和變形,確保電機(jī)鐵心的加工精度[8]。將電機(jī)定子鐵心圖紙導(dǎo)入線切割軟件后,可通過(guò)線切割控制軟件在加工軌跡上選擇適當(dāng)位置設(shè)置3～5個(gè)暫停點(diǎn),然后在加工過(guò)程中用此輔助固定支撐裝置托住硅鋼片,線切割加工到預(yù)設(shè)暫停點(diǎn)時(shí)暫停加工,調(diào)整此輔助固定支撐裝置的支撐臺(tái)位置,確定不影響加工過(guò)程中的走絲軌跡,同時(shí)確保加工工件的已切割部分由此裝置支撐住,直到整個(gè)工件加工完成。

圖5 線切割加工工件的輔助固定支撐裝置

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,在線切割機(jī)加工電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心時(shí),加工流程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響到最終尺寸,需要重視整個(gè)加工過(guò)程,對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行把控。

通過(guò)本次工藝研究,優(yōu)化了線切割機(jī)加工制作電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心的工藝技術(shù),加工尺寸可以控制在0.03 mm內(nèi),提升了線切割加工無(wú)取向硅鋼片的加工精度,滿足了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心的設(shè)計(jì)及制作要求。針對(duì)不同疊加厚度的無(wú)取向硅鋼樣片,經(jīng)過(guò)實(shí)際加工摸索驗(yàn)證,總結(jié)出了一套較為成熟的加工工藝參數(shù),積累了一些經(jīng)驗(yàn),尤其是設(shè)計(jì)的固定支撐裝置,具有較好的推廣價(jià)值,為采用線切割加工制作電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵心提供一定參考。