電機轉子入軸液壓壓力機研制及機身計算機輔助三維設計

周錦添

（廣東工程職業(yè)技術學院，廣東廣州 510520）

0 引言

我國多年來十分重視制造技術提高與改造，引進了大量先進技術和設備，電機行業(yè)的電機生產和測試目前已經初步具備了大規(guī)模自動化生產的特點。就區(qū)域及企業(yè)發(fā)展情況看，市場需求旺盛及占據地理優(yōu)勢的沿海地區(qū)和企業(yè)發(fā)展尤為迅速，電機生產企業(yè)數量占全國80%的廣東、浙江、江蘇三大省份在未來競爭中具絕對優(yōu)勢。

雖然中國已成為世界電機的生產大國和出口大國，但生產自動化程度比較低、技術含量不高，許多技術含量高的設備，目前仍處于依賴進口的狀態(tài)。近幾年，中國電機自動化制造設備實用率也有了超速的提高，但在設計裝備上與發(fā)達國家相比仍然處于弱勢。就長期發(fā)展趨勢看，未來10年中國電機行業(yè)重點發(fā)展的是自動化生產制造設備，如：電機鐵芯片高速自動沖床、電機轉子入軸機、電機轉子自動繞線機、電機轉子整流子自動焊接機、定子鐵芯自動氬弧焊設備等等。基于自動化設備的引進、消化、吸收，從設計上要緊貼國際先進水平，針對電機自動化生產工序之一電機轉子入軸工序，研制一種自動入軸的自動化設備，并在設計上提出一種基于計算機三維軟件設計電機轉子鐵芯入軸小型液壓壓力機的模式，采用SolidWorks三維繪圖軟件，直觀、高效地設計壓力機主機結構和液壓站，并根據不同技術要求，利用計算機輔助三維軟件的強大功能，快速地改變主機、夾具和小型液壓站的設計。

研究電機轉子入軸液壓壓力機計算機輔助三維設計，正是為了達到電機生產系列設備的高效設計，快速研制出入軸設備，推廣電機的自動化生產，提高電機行業(yè)自動化設備的設計水平。

1 入軸設備總體方案確定

1.1 入軸設備總體方案

在各類電機中，微電機、分馬力電機的轉子軸徑大多＜18 mm，軸長＜300 mm。經過試驗，轉子軸與轉子鐵芯孔裝配時最大下壓力為20 000 N，下壓過程時間為4 s。因此，機器應采用液壓系統，具有壓力穩(wěn)定，下行運行平穩(wěn)，轉子軸向定位精確，質量穩(wěn)定可靠等特點。確定機器為小型液壓壓力機，液壓缸下行時間為4 s，液壓缸下壓力為30 000 N，液壓缸最大行程為300 mm，為垂直上下運動，需要獨立的液壓站設計。

國內外大多數自動化程度高的微電機、分馬力電機在轉子入軸機上壓軸工序如下：人工或自動分疊好轉子硅鋼片鐵芯厚度——裝夾在壓力機工作臺上——按設計圖紙鐵芯槽方向夾緊鐵芯——按圖紙要求將轉子軸的上下方向裝夾在具有自動夾緊功能的壓頭上——啟動液壓缸動作帶動壓頭下行——軸壓入鐵芯孔的自動裝配過程——入軸到位并壓力保持過程——壓頭返回上行至停止——取出入軸的轉子鐵芯（工件）——重復下一入軸工序。因此，壓入軸的整個過程是自動完成的。

1.2 確定主要技術參數

（1）工作壓力可調，最高16 MPa，下行速度可調；

（2）軸芯定長壓入；

（3）裝壓力最大30 000 N；

（4）最大行程300 mm；

（5）額定輸入壓：三相五線380 V；

（6）額定功率：4 kVA；

（7）機體外形尺寸（mm）：420（寬）×700（高）×475（長）；

重量：約150 kg。

1.3 液壓壓力機的動作流程

入軸設備設計方案整體結構如圖1所示，自動控制流程方案如下：（1）初始狀態(tài)（液壓缸上位狀態(tài)）→（2）按啟動按鈕，油泵電機啟動，同時低壓電磁閥同時得電→（3）液壓缸開始下行，時間繼電器開始計時→（4）壓軸到位，保壓時間計時停止→（5）低壓電磁換向閥得電，液壓缸快速返回→（6）返回到位，碰快壓緊電器限位行程開關→（7）電磁閥復位，處中位卸荷，完成一個壓軸過程。

手動控制時，設手動控制三位旋鈕1個，分別控制主機油缸上升、停止、下降。液壓缸動作可設為點動，主要用于安裝調試時操作方便，不作為工作使用。

2 液壓機機身結構的三維設計

2.1 液壓機機身結構確定

液壓機機身結構有立式和臥式兩種，立式機身結構又有單柱式、雙柱式和四柱式，小型液壓機機身結構適合采用整體單柱式結構，本設計最大裝壓力較小，僅為30 000 N，因此，結構采用整體單柱式“C”型焊接式結構，如圖2所示。其上部懸臂梁設計主要有液壓缸安裝孔，中部設計成四塊立板拼焊而成的空心方立柱，下部梁為液壓機工作臺面，面板上設有“T”型槽和落料孔，供安裝夾具使用。該結構優(yōu)點是可三面為工作區(qū)，裝拆夾具及工件方便，特別適合電機壓軸工序，缺點是液壓缸帶動下行機構，下行機構無精確定位。但為彌補下行精確定位，機身設計增加了直線導軌導向滑動機構。為防止上部懸臂梁受力變形，影響工作精度，在方立柱兩側面，增加兩筋板，以增強剛度。如圖1所示為三維實體設計。

2.2 三維建模，實現快速的參數化設計

為解決生產制造的困難，同時也為適應電機軸身長度和軸徑大小不同，要求機身閉合高度和落料孔的變化，設計時采用了SolidWorks三維繪圖軟件建模，建模時采用零件造型功能和裝配造型功能建立三維結構模型[1]，模型設計成模塊式分體機身結構。三維分體式機身結構裝配體由多個板形零件裝配成型，每個零件的幾何形狀及裝配關系都和其他零件相互關聯。

采用三維建模，上部懸臂梁、中部方立柱和下部工作臺面需建立模板庫，模板庫由不同結構形式和形狀的金屬板件組成，并定義液壓機機身中各板的裝配關系，同時總結軸長與閉合高度、軸徑與落料孔的關聯規(guī)律作為模型的約束條件，這樣，根據用戶確定的參數，如：改變軸長或軸徑，將自動生成不同閉合高度和不同孔徑的落料孔工作臺的機身結構三維裝配模型，實現了參數化設計，同時，也可方便生成二維工程圖（包括每塊板的零件圖和機身裝配圖）。并可通過三維軟件功能，精確計算金屬耗材重量，以便進行產品快速報價。圖2為三維實體設計。

圖1 電機轉子入軸液壓壓力機

圖2 液壓機機身結構

3 入軸工件的夾模三維設計

3.1 壓頭上夾模三維設計

根據轉子入軸的技術及工藝要求，壓頭上夾模的結構設計需滿足以下功能。

（1）壓頭上夾模的設計要考慮與液壓缸攜帶的下行機構連接，采用剛性的定位軸孔配合的緊固螺釘連接。

（2）壓頭需要自動夾緊電機轉子軸的功能，只需用人工把轉子軸套上壓頭上夾模，壓頭夾模依靠設計的鎖緊機構，利用鎖緊力自動夾緊轉子軸。

（3）壓頭夾模設計需適應不同轉子伸出長度的軸向精度定位，自身需具有調整軸向伸出長度的結構。

（4）壓頭夾模需要避開下夾模的轉子芯片定位片的位置，需設計出讓位槽，同時也需保證壓頭夾模下端面與轉子芯片的直徑尺寸一致。

利用三維建模，通過繪制草圖、實體特征零件、添加幾何關系、到裝配體，設計成如圖3所示壓頭夾模。

圖3 壓頭上夾模

3.2 電機轉子鐵芯夾緊下夾模三維設計

鐵芯是電機的重要零件之一，一般由厚度為0.35 mm或0.5 mm的硅鋼片組成。因此，一臺產品的鐵芯可由幾片至幾百片硅鋼片組成；隨著模具技術的發(fā)展，鐵芯沖片的加工由單沖模、復合模的沖裁，發(fā)展到用高速級進模沖裁。模具的結構形式從單列散片級進沖模，發(fā)展到雙列、三列等多列自動疊片高速級進沖模。鐵芯疊裝技術有兩種：第一，傳統的手工理片，疊片后每片槽口參差不齊；第二，自動疊片技術，每片槽口整齊。

圖4 壓頭下夾模

因此電機轉子鐵芯芯片壓入軸工序的下夾緊模設計主要考慮的問題：（1）鐵芯的夾緊力和夾緊方式；（2）鐵芯槽槽口的對齊定位；（3）鐵芯疊厚分片。針對以上情況，設計下夾模的結構形式如圖4示，它是由一氣動系統氣缸提供推動力，此圖為實物圖片。

圖5 入軸機液壓原理圖

圖6 入軸機電路原理圖

4 液壓系統和電路設計

液壓系統原理圖[2]如圖5所示；液壓壓力機的電路圖如圖6。

5 結語

經過多年生產，不斷完善設計，該設備已經被上百家用戶使用，受到用戶極好評價。

（1）電機轉子液壓壓力入軸機的研制和批量生產，使得轉子鐵芯分片和齊片的手工操作變成機器自動操作，提高了轉子入軸的效率和壓裝精度。

（2）機身設計采用了三維設計，實現了參數化驅動設計，使得對于不同樣軸，對應的機身設計變得高效和容易，同時，也可方便生成二維工程圖（包括每個的零件圖和機身裝配圖）。并可通過三維軟件功能，精確計算金屬耗材重量，以便進行產品快速報價。

（3）采用液壓系統進行入軸，保證了壓裝力，同時采用氣動系統夾緊鐵芯轉子，使得整個系統成本下降，提高了產品競爭力。

［1］江洪.Solidwords2011基礎教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］張利平.液壓站［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.