電機(jī)機(jī)殼加工工藝改進(jìn)與新工藝分析

姚 新

(佳木斯防爆電機(jī)研究所有限公司,黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

在電機(jī)加工制造中,任何零部件的加工工藝水平高低都直接關(guān)系到電機(jī)的整體性能與質(zhì)量。而機(jī)殼作為電機(jī)設(shè)備中的基礎(chǔ)配件之一,目前在這類配件的加工制造中主要是結(jié)合澆筑方式、鑄型材料及造型工藝的不同,采用型砂鑄造與特種鑄造工藝,但這兩種工藝方法往往受到技術(shù)條件和設(shè)備等因素的影響,難以有效保證電機(jī)產(chǎn)品的制造質(zhì)量與制造精度。

1 電機(jī)機(jī)殼加工工藝存在的不足及改進(jìn)策略

1.1 氣孔問題及改進(jìn)策略

在電機(jī)機(jī)殼鑄造過程中,氣孔是最為多見的問題,也是導(dǎo)致機(jī)殼加工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的根本原因。如何在電機(jī)機(jī)殼鑄造中避免氣孔的發(fā)生,一直是機(jī)械制造領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。通常而言,氣孔發(fā)生在工件的上部,因?yàn)闈仓俣炔缓侠淼纫蛩?導(dǎo)致氣體無法完全排出,這就致使工件上形成大面積孔洞,從而導(dǎo)致電機(jī)機(jī)殼表面凹凸不平,在電機(jī)使用過程中容易發(fā)生散熱不均勻現(xiàn)象,最終影響到電機(jī)的使用性能與使用壽命。經(jīng)過調(diào)查分析可知:電機(jī)機(jī)殼鑄造中產(chǎn)生的氣孔多為侵入性氣孔,引發(fā)這一問題的具體原因?yàn)?(1)澆鑄溫度不符合加工標(biāo)準(zhǔn)。(2)澆鑄速度太慢,致使鐵水進(jìn)入模具時(shí)一些氣體進(jìn)入其中。(3)排氣不充分。(4)型砂中含有太多的水分,且缺乏良好的透氣性。(5)鐵水中含有雜質(zhì)等。

對(duì)于上述問題的解決,可從以下幾方面出發(fā)來改進(jìn)電機(jī)機(jī)殼加工工藝:(1)在電機(jī)機(jī)殼設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),結(jié)合電機(jī)產(chǎn)品的制造要求和標(biāo)準(zhǔn),合理設(shè)計(jì)排氣孔,保證在機(jī)殼澆鑄過程中氣體能夠順利排出。(2)根據(jù)電機(jī)機(jī)殼的大小來對(duì)澆鑄速度進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置,如果工件的截面較小,澆鑄速度不可過慢,以保證鐵水能夠及時(shí)上升,避免由于上層鐵液長時(shí)間溫度過高而造成型砂爆裂。(3)在澆鑄鐵水前,必須嚴(yán)格檢驗(yàn)鐵水中的雜質(zhì),只有確認(rèn)無雜質(zhì)的情況下,才可以進(jìn)行澆鑄作業(yè)[1]。

1.2 裂紋問題及改進(jìn)策略

機(jī)殼在電機(jī)設(shè)備中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用,一般機(jī)殼的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。在電機(jī)運(yùn)行過程中,當(dāng)大量熱量聚合到機(jī)殼時(shí),將會(huì)引發(fā)集中收縮情況,而裂紋發(fā)生的根本原因在于澆鑄工件受熱過程中出現(xiàn)收縮變形,倘若這種變形是比較均勻的,那么裂紋很可能不會(huì)發(fā)生。然而在加工過程中,由于工件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其各部分的冷卻速度存在較大的差異,這就造成各部分之間的問題有所不同。當(dāng)受熱越大時(shí),就越容易產(chǎn)生變形,反之亦然。如果工件的裂紋比較嚴(yán)重,那么會(huì)直接報(bào)廢;如果工件的裂紋程度較低,在電機(jī)機(jī)殼制造標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的范圍內(nèi),可以采用相應(yīng)的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)[2]。目前電機(jī)機(jī)殼加工較為常用的工藝方法為鑄造型砂工藝,該工藝涉及到粘土砂、水玻璃砂、呋喃樹脂砂等工藝,這些工藝方法既能夠滿足小批量電機(jī)機(jī)殼的生產(chǎn)制造,還能夠滿足大批量電機(jī)機(jī)殼的生產(chǎn)制造,但也存在一個(gè)非常突出的問題—發(fā)生裂紋的幾率較大。

對(duì)于上述問題的加工工藝改進(jìn),主要做到以下幾點(diǎn):(1)工件鑄造所用材料的選擇,需要結(jié)合電機(jī)機(jī)殼的使用要求,盡量采用合適的原砂,并將一定的添加劑放入到選定的原砂之中,以有效改良其退讓性,在此基礎(chǔ)上,需要對(duì)原型材料進(jìn)行壓制處理。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)機(jī)殼的澆筑工藝,若工件壁比較薄時(shí),應(yīng)在一定程度上提高澆筑速度與澆筑溫度,從而降低裂紋的傾向性;若工件壁比較厚時(shí),應(yīng)適當(dāng)降低澆筑溫度和澆筑速度。(3)改建電機(jī)機(jī)殼的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),即在開展加工工作前,需要利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段,結(jié)合本次生產(chǎn)的電機(jī)機(jī)殼的形狀特點(diǎn)等,構(gòu)建相應(yīng)的三維立體模型,然后對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析,計(jì)算得出澆筑過程中會(huì)形成的熱量,最后以此為依據(jù),獲得相應(yīng)的計(jì)算機(jī)圖像,從而提高電機(jī)機(jī)殼加工的精準(zhǔn)度。

1.3 砂眼問題及改進(jìn)策略

砂眼也是電機(jī)機(jī)殼加工中的常見問題,多見于工件的表面,也可能發(fā)生在機(jī)殼內(nèi)部。導(dǎo)致該問題發(fā)生的主要原因?yàn)?(1)澆鑄工藝流程設(shè)計(jì)不科學(xué)。(2)型砂性能問題。(3)模具內(nèi)部清潔不到位等。

針對(duì)上述問題,在正式實(shí)施澆鑄工藝操作前,相關(guān)人員需要對(duì)工件的橫截面進(jìn)行嚴(yán)格測量與對(duì)比,并記錄對(duì)比結(jié)果,以此為依據(jù)對(duì)澆鑄工藝流程進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì),以保證后續(xù)澆鑄工藝的有效開展。同時(shí),相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)提高自身的責(zé)任性,樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度,對(duì)型砂中的微粉含量進(jìn)行嚴(yán)格控制,并做好模具內(nèi)部的清潔工作等。

1.4 焊接殘余應(yīng)力問題及改進(jìn)策略

焊接殘余應(yīng)力主要指在完成電機(jī)機(jī)殼焊接以后,其內(nèi)部殘留下來的焊接應(yīng)力,引發(fā)這一問題的原因在于:在操作過程中,機(jī)殼的受熱不均勻。該問題會(huì)在電機(jī)運(yùn)行期間逐步釋放,對(duì)電機(jī)各零部件的同軸度造成較大的營銷,還會(huì)引發(fā)電機(jī)振動(dòng)、定子轉(zhuǎn)子鐵心掃膛等諸多質(zhì)量問題。

對(duì)于這一問題的處理,目前機(jī)電機(jī)殼加工中常用的工藝方法為:振動(dòng)時(shí)效法與熱處理法。其中前者也稱之為振動(dòng)消除應(yīng)力法,具體是借助一種嚴(yán)格受控的振動(dòng)能量,讓電機(jī)機(jī)殼焊接過程中形成共振,同時(shí)把振動(dòng)能量傳遞至電機(jī)機(jī)殼的每一個(gè)部位,從而使得工件產(chǎn)生微觀上的變形,讓被歪曲的晶格重新回到平衡狀態(tài),最終解決機(jī)電機(jī)殼加工時(shí)與加工結(jié)束后產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力造成機(jī)殼的抗載荷能力與尺寸發(fā)生改變。該工藝方法的應(yīng)用優(yōu)勢在于:投入成本較少,操作簡便等;不足之處在于:機(jī)殼工件在時(shí)效振動(dòng)后,振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)力消除不穩(wěn)定,難以獲得理想的效果。后者主要是通過在高溫下讓相應(yīng)材料的屈服點(diǎn)下降或是產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象,從而讓焊接殘余應(yīng)力得以松弛。結(jié)合處理的結(jié)構(gòu)件的大小與位置的不同,該工藝方法又可分為整體熱處理與局部熱處理,基于電機(jī)機(jī)殼體積等多方因素,首選整體熱處理方法,但是該工藝方法的處理效果往往受限于熱處理溫度、加熱方法、保溫時(shí)間、加熱速度、冷卻速度。

由于在消除電機(jī)機(jī)殼的焊接殘余應(yīng)力以后,其車削加工精度直接關(guān)系到機(jī)殼是否發(fā)生變形問題,所以需要結(jié)合機(jī)殼的具體型號(hào),制作相應(yīng)的前后法蘭止口定位加工工裝,并在工裝上安裝機(jī)殼,再進(jìn)行精粗車,確保機(jī)殼前后法蘭與定子腔的同軸度,從而有效減少電機(jī)機(jī)殼在加工時(shí)由于裝夾等因素的影響而發(fā)生二次變形問題[3]。

2 電機(jī)機(jī)殼加工的新工藝分析

2.1 沖壓成形工藝

電機(jī)產(chǎn)業(yè)是一個(gè)相對(duì)傳統(tǒng)的行業(yè),歷經(jīng)上百年的發(fā)展,現(xiàn)已具有相當(dāng)規(guī)模。以往的電機(jī)制造中普遍運(yùn)用金屬鑄造殼體、鋁合金殼體,盡管這兩類電機(jī)機(jī)殼的品質(zhì)明顯提高,但是由于鑄造零件時(shí)常發(fā)生縮孔、氣泡等問題,導(dǎo)致電機(jī)機(jī)殼的質(zhì)量難以滿足相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,從而影響到整個(gè)電機(jī)設(shè)備的質(zhì)量。針對(duì)這一問題,國內(nèi)外大型電機(jī)制造公司開始研究以鋼板為材料,采用沖壓成形工藝來進(jìn)行電機(jī)機(jī)殼加工,所制成的機(jī)殼產(chǎn)品具有重量輕、精度高及通風(fēng)冷卻效果較佳等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)鋼板沖壓加工制造效率較高,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,能夠提高材料的利用率,可以根據(jù)用戶的需求迅速變化,及時(shí)響應(yīng)市場發(fā)展的需要。在電機(jī)機(jī)殼加工過程中,采用鋼板沖壓成形工藝,有利于解決機(jī)殼沖壓回彈問題,這是因?yàn)殇摪咫姍C(jī)機(jī)殼材料選擇DC04,厚度大于3mm。該材料具備優(yōu)良的延展性與導(dǎo)磁性,及較少的剩磁,然而其在塑性彎曲成型過程中回彈較大,所以在成型為圓筒狀時(shí)必須做好整形處理,合理擠壓工件的外表面,使之外表面松弛,改變應(yīng)力狀態(tài),從而避免由于回彈變形而降低工件的加工精度。最后,在鋼板電機(jī)機(jī)殼沖壓成形以后,需要采用合適的焊接方法來對(duì)接口進(jìn)行焊接;為確保焊縫質(zhì)量,建議選擇氬弧焊工藝技術(shù),并使用專門的焊接機(jī)器人,設(shè)計(jì)專用的雙工位夾具,通過與機(jī)器人相配合來提高焊接品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

2.2 成組工藝技術(shù)

現(xiàn)階段,為實(shí)現(xiàn)多品種電機(jī)機(jī)殼的小批量生產(chǎn),及滿足快速相應(yīng)市場需求,很多中小型電機(jī)制造企業(yè)開始嘗試采用成組工藝技術(shù)和數(shù)控加工相結(jié)合的機(jī)殼產(chǎn)品生產(chǎn)方式。成組工藝技術(shù)主要是將工藝、材料及結(jié)構(gòu)類似的零部件組成一個(gè)零部件組,依據(jù)零部件組制定工藝開展相應(yīng)的加工作業(yè),以達(dá)到減少機(jī)殼品種、擴(kuò)大批量、提高生產(chǎn)效率等目的。其中零部件的類似性是廣義層面的,即在尺寸、功能、精度、材料及幾何形狀等方面基本相似。成組工藝技術(shù)的實(shí)施流程包括:零部件分類成組→制定零部件的成組加工工藝→設(shè)計(jì)成組工藝裝備→組織成組加工生產(chǎn)線。同時(shí),數(shù)控加工具備充分的柔性,只需提前設(shè)置零部件程序,更換相應(yīng)工裝,即可加工出新的零件,顯著提高生產(chǎn)加工效率。

2.3 防爆電機(jī)機(jī)殼除濕加工工藝

防爆電機(jī)機(jī)殼除濕加工工藝主要是在定子進(jìn)殼安裝前,把機(jī)座、端蓋及軸承內(nèi)蓋等所需裝配的零部件吊裝放入到傳送帶上,送至70℃的烘干箱進(jìn)行烘干處理,持續(xù)時(shí)間約為2h,然后送至冷區(qū)區(qū)域進(jìn)行處理,待其溫度達(dá)到室溫以后,盡快裝配成防爆電機(jī)。該加工工藝能夠有效去除靜壓試驗(yàn)后防爆電機(jī)機(jī)殼零部件的潮氣,在完成轉(zhuǎn)配后,確保電機(jī)內(nèi)部具備良好的干燥度,避免電機(jī)設(shè)備由于潮氣重而發(fā)生絕緣性能下降、絕緣材料損壞、絕緣材料快速老化等問題,從而提高電機(jī)機(jī)殼的使用壽命。

3 結(jié)語

綜上所述,在原有的電機(jī)機(jī)殼加工工藝應(yīng)用中,由于受到多方面因素的影響,導(dǎo)致最終機(jī)殼成品經(jīng)常出現(xiàn)砂眼、裂紋、氣孔及焊接殘余應(yīng)力等一系列問題,這些問題嚴(yán)重影響到電機(jī)的整體性能和使用年限。所以在電機(jī)機(jī)殼加工制造過程中,制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)這些問題發(fā)生原因的分析,然后結(jié)合電機(jī)機(jī)殼的具體生產(chǎn)要求和制造標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)相關(guān)加工工藝,以有效降低上述問題的發(fā)生幾率。同時(shí),為能夠更好的適應(yīng)新時(shí)期下市場發(fā)展的需求,更好地保證電機(jī)機(jī)殼加工質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,為企業(yè)創(chuàng)造更多的收益,企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)新工藝的研究和應(yīng)用,以促進(jìn)自身的可持續(xù)發(fā)展。