新型全自動電機轉子粗車機床的設計與車削工藝

周錦添,張宜剛

(1.廣東工程職業技術學院,廣州 510520;2.廣東省機械研究所,廣州 510635)

新型全自動電機轉子粗車機床的設計與車削工藝

周錦添1,張宜剛2

(1.廣東工程職業技術學院,廣州 510520;2.廣東省機械研究所,廣州 510635)

為了提高電機鑄鋁轉子外圓的切削加工質量和效率，應用了Solidwords三維軟件進行機械設計，開發了一種新型鑄鋁轉子外圓液壓式全自動粗車機床，制定出新的車削工藝規程，并介紹了該機床的機構特點、功能以及性能參數，改變了電機行業鑄鋁轉子加工工藝，加工效率比傳統車削方法至少提高了10倍以上，轉子質量得到較大的提高，車削加工實現了從無序的轉子毛坯自動送料，到自動排序等待車削，再到自動車削和自動落料全過程的機械自動化。

電機；鑄鋁轉子；車削；機床；工藝；液壓站

0 引 言

分馬力電機、微型電機的鼠籠式鑄鋁轉子外圓車削的傳統制造方法是利用通用車床并使用專用夾具進行車削，它的加工工藝：鑄鋁轉子毛坯→壓裝鐵心心軸(工位1)→粗車、精車加工(工位2)。這種工藝是將心軸與轉子毛坯壓裝后，粗車、精車加工在同一工位，由于粗車切削量較大，產生較大的切削力容易使軸壓彎，因此傳統車削工藝精度較低；裝夾工件耗時繁瑣，致使效率低，自動化、專業化程度不高，成本高。近年，我國已經是世界電機生產大國，每一廠家生產的電機產量大，要求的生產周期短且效率要高，傳統車削轉子外圓的方法滿足不了當前對各類電機的加工需求。為此，我們改變為新的車削工藝：鑄鋁轉子毛坯→粗車(工位1)→壓裝心軸(工位2)→精車(工位3)。這種工藝的改變，必須配套相應的粗車專用機床，為此我們研制了專用的液壓式電機鑄鋁轉子鐵心外圓全自動粗車機床。本文闡述鑄鋁轉子鐵心外圓粗車加工機床的工作原理及結構，新研制的機床結構新穎、車削力大，裝夾迅速，加工精度高、自動化和專業化程度高，效率高、生產成本低，有利提高轉子加工質量的一致性。

1 機床主要組成、工作原理及技術參數

1.1 機床主要組成及工作原理

機床有4大部分組成，其一為智能送料裝置，其二為機床主機，其三為液壓站系統，其四為電控系統。機床主機部分有轉子毛坯推出機構、主軸頂出機構、尾座夾緊機構、刀具進給機構、機床床身等組成。機床主要組成如圖1所示。

圖1 液壓式自動粗車機床主要組成分布圖

機床從送料裝置底部料斗中將眾多無序的鑄鋁轉子毛坯自動往上輸送至裝置出口，并將眾多轉子有序排序使其在排序料槽中等待。再到由推出機構將轉子自動送出，送至機床主機主軸中心位置，并自動夾緊，高速旋轉，最后到刀具的縱橫向自動進給對轉子實施車削粗加工。機床主機部分包括轉子工件的夾緊，縱橫向刀具自動進給機構，主軸頂出機構的動力源均采用油缸驅動的液壓系統，送料裝置動力源采用單相異步電動機帶蝸輪蝸桿傳動系統，機床采用PLC進行部序控制。

機床動作流程：啟動按下，排序料槽中的傳感器H檢測到無轉子工件在等待；送料機構往上送料，傳感器G檢測推出機構上裝有工件，送出機構即送料，尾座夾緊機構推出對工件實施夾緊，推出機構退回，主軸夾帶轉子工件高速轉動，刀具縱橫向進給進行車削，車削完畢，主軸停止；進給機構回位，接著尾座夾緊機構退回，主軸頂出機構卸料板推出卸料，卸料板退回；最后轉子工件墜落，從成品出口滑出，加工結束，循環下一次。

1.2 轉子加工車削機床的主要技術參數

經過縝密廣泛的調研，機床適應性廣，機床主要技術參數和對轉子工件尺寸主要適用范圍如表1所示。

表1 車削機床主要技術參數

2 各主要機構的設計、原理及功能

2.1 送料裝置與推出機構

送料裝置主要由電動機、蝸輪蝸桿減速器、雙鏈條送料傳動機構、雙鏈同步傳動物料輸送板結構、轉子料斗、送料出口、支架、排序感應接近開關檢測電控系統組成，各部件分布如圖2所示。送料裝置尺寸1 700 mm(長)×1 570 mm(高)×500 mm(寬)，電機功率1.5 kW，轉速1 450 r/min，雙鏈同步傳動物料輸送板結構兩條鏈條為滾子鏈32A-1x66(節距為50.8 mm)。

圖2 送料裝置三維實體圖

送料裝置的功能就是把鑄造好的無序的眾多的鑄鋁轉子由底部料斗通過輸送板上的方形托條托著沿著75°坡度帶動上升，每塊輸送板都安裝一方形托條，托條厚度要求至少超過轉子鐵心厚度一半以上方能托住轉子，待轉子上升至送料出口處，由導入條將其導入送料出口，轉子進入送料出口后，將從上往下沿坡度通過既連接著送料出口又連接著送出機構的排序料槽滾動往下，在料槽一個挨著一個排序，等待被送出至主軸夾緊機構進行加工，轉子排序槽三種狀態位置見機床的實拍圖(如圖3所示)。

圖3 料槽內三種狀態排序的轉子位置圖

當傳感器H檢測到料槽上裝滿了等待加工的轉子時，控制系統發出停止信號，送料裝置即停止往上送料；否則，送料裝置不斷往上送料，直到料槽排滿轉子才停止工作。

送料裝置只容許每一托條升至送料出口處時每次只能輸送一個轉子，并令轉子逐一進入送料出口。因為雙鏈同步傳動物料輸送板結構設置有一分揀板，它與托條在輸送板的最遠端相互距離H僅設置一個轉子直徑的大小，這就確定了輸送板上升過程中每次只能有一個轉子通過分揀板，各零件分布圖如圖4所示。

圖4 分揀板與托條位置距離H標示圖

推出機構由推出油缸、滑動滾珠導軌、轉子托爪等組成，其結構如圖5所示。主要功能就是由排序料槽滾動下來的轉子，由轉子托爪接住，當傳感器G檢測托爪上有轉子正在等待推出時，即發出推出信號到控制系統，控制系統指令油缸將托爪連同轉子一同送至夾緊位置，等待實施車削加工。否則，油缸不推出，直至送料到達，托爪上有轉子，才推出實施加工。

圖5 推出機構三維實體圖

2.2 主軸卸料機構與尾座夾緊機構

主軸卸料機構的作用是由其皮帶輪帶動主軸轉動，主軸上安裝夾緊轉子毛坯的夾具，夾具由轉子毛坯軸孔相適應的定位針和傳遞主軸扭矩的棘齒組成。由于轉子毛坯被加工后留在定位針上，為了實現自動落料，在主軸機構上，設計出卸料機構，它由卸料油缸推動卸料板前進，由卸料板頂出安裝在定位針上已車削好的轉子脫落。主軸卸料機構如圖6所示。

圖6 主軸卸料機構三維圖

尾座夾緊機構是由推出軸、夾緊油缸和尾座組成。推出軸前端安裝夾緊棘齒用于夾緊轉子毛坯。尾座夾緊機構三維圖如圖7所示。

圖7 尾座夾緊機構

2.3 進給機構

進給機構由縱橫向滑板、刀架、縱橫向油缸等組成。縱向、橫向滑板底下安裝了兩條直線滾珠導軌副，它們分別由縱橫向油缸驅動，刀架安裝在滑板上并安裝了百分表和吃刀深度(背吃刀量)調節滑板和調節手輪。縱向、橫向滑板行程分別由安裝在機構里的接近開關發出的信號控制油缸的往返動作。進給機構結構分布如圖8所示。

圖8 進給機構

2.4 床身設計

床身設計采用拼焊而成，床身面板使用厚鋼材，床身面板下面分三個功能區，為卸料區、盛屑區和電柜區。機床要求機身穩定，振動小，因此，需要床身底座灌注厚厚的水泥砂漿，為保證剛度，采用方管拼焊機架，這樣能保證機身穩定。

3 液壓系統設計

機床及液壓系統采用可編程控制器、變頻器等電氣控制系統。液壓系統采用液壓站型式，液壓泵是葉片泵，系統最大額定輸出壓力為16 MPa，流量為40 L/min，共有5個油缸驅動，油缸缸徑和行程如表2所示。

表2 油缸主要技術參數

利用Solidwords三維軟件設計液壓站油路塊能直觀地了解各閥之間的連接方式，在設計孔道時能方便快速修改液壓閥及其它相關元件、管路聯系的管道，并可透視油路塊內各孔道之間連接關系[1]，如圖9所示。

圖9 液壓站油路塊透視圖

4 車削工藝參數

4.1 車刀選用

轉子由硅鋼片疊片而成，且圓周上有眾多槽口分布，槽口處為硬度較低的鑄鋁合金，因此，在車削時為斷續車削，車削時刀具受斷續沖擊力頻繁，致使切削力變大，沖片擠壓變形嚴重，導致槽口寬度減小，降低了電機性能[2]。如果選用普通硬質合金YW型刀片，車削二三十個轉子后，容易造成車刀刀尖磨損、甚至崩裂，并且加工時會引起轉子倒片，硅鋼片毛刺增大，直接影響轉子表面損耗。如果要降低雜散鐵損，就必須盡量減少轉子加工時倒片的程度，減少轉子表面的毛刺[2]，選擇更能適應斷續切削的刀具，為此，我們選用了聚晶立方氮化硼刀片[3]。聚晶立方氮化硼(PCBN)具良好的耐熱沖擊性能和較高的耐磨性能[4]，可車削斷續表面，只是切削速度要適當，機床加工系統剛性要非常好，應選用高含量的PCBN復合刀片[5]。

4.2 車削工藝

切削速度v=120 m/min,每轉進給量f=0.2～0.3 mm，每次切削深度(背吃刀量)αp=0.5 mm。

車刀采用機夾式車刀，刀柄截面尺寸40 mm×40 mm。PCBN塊在刀頭上固定，經過試驗，粗車車刀前角和刃傾角取負值，前角取-10°，刃傾角取-8°，主后角取較小值，一般為5°～7°即可。這樣刀刃強度較高，刀具耐用度高，壽命長。主偏角取85°，加工時可減小徑向力，避免振動[6]。車刀并可加寬主切削刃，從而減小切削刃單位長度上的負荷。副偏角控制在6°～8°。刀尖倒棱取1.0～1.5 mm，可以減少刀片的磨損，刀尖角大，散熱性能好，可提高刀具的使用壽命。車刀安裝時,調節車刀高度，使刀尖在轉子軸中心線位置上下誤差少于0.1 mm。經長時間大量車削驗證，采用上述工藝參數可控制轉子圓跳動在≤0.04 mm范圍內。

5 結 語

本文開發了新型液壓驅動的轉子外圓全自動車削機床，制定了新的車削工藝，從而改變了原來對鑄鋁轉子的加工工藝，較大地提高了鑄鋁轉子的加工效率和加工質量，從自動裝夾、車削、自動落料整個過程車削一個鑄鋁轉子為5 s，效率比傳統車削工藝至少提高了10倍，車削后轉子外圓表面質量無倒片和毛刺現象，表面粗糙度質量得到極大提高，因此可減少電機表面損耗[2]。本項目的開發為電機制造行業提供了高效、自動化程度高的車削鑄鋁轉子新的加工手段，經過近三年眾多用戶的使用和對機床的不斷改進，受到用戶的一致好評。

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Design and Turning Process of New Type Automatic Turning Machine for Motor Rotor

ZHOUJin-tian1,ZHANGYi-gang2

(1.Guangdong Engineering Polytechnic,Guangzhou 510520,China;2.Guangdong Provincial Machinery Research Institute,Guangzhou 510635,China)

In order to improve the motor cast aluminum rotor outer circle machining quality and efficiency, Solidworks 3D software was utilized for mechanical design. A new type of cast aluminum rotor cylindrical hydraulic automatic turning machine was developed. The characteristics, functions and performance parameters were introduced. We change the motor processing technology of cast aluminum rotor, draft a new turning process protocol. As a result, the machining efficiency is 10 times higher than the traditional turning method, and rotor quality is greatly improved. Turning process has realized mechanical automation, changing from disorderly rotor workblank automatic feeding to automatic sorting, standing by for turning, and then to the automatic turning and automatic blanking of the whole process.

motor; the cast aluminium rotor; turning; machine tool; technology; hydraulic station

2015-11-08

TM305

A

1004-7018(2016)05-0032-04

周錦添(1965-),男，高級工程師，研究方向為電機生產系列設備研發、電機生產工藝研究、機械設計、機電一體化技術。