直觀分析法優選陀螺馬達定子鐵心疊片表面處理工藝參數

嚴小軍，陳永秀，李彥博

（北京航天控制儀器研究所，北京100854）

陀螺定子鐵心作為馬達的關鍵部件，其質量直接影響馬達的性能和使用壽命。目前批量生產中定子鐵心一般是由一定數量的軟磁材料薄片膠接疊壓而成，因此膠接質量直接決定了產品合格率。為了保證產品膠接疊壓質量，通過多次試驗摸索發現，使用硅烷偶聯劑KH550[1-8]對疊片進行表面處理后可顯著提高定子疊片的膠接質量，提高產品在后續機械加工中產品合格率和穩定性。

直觀分析法又稱極差分析法。其最主要是利用正交試驗設計來研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分析因式設計的主要方法，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法[9-11]。本文選用直觀分析方法研究表面處理對膠接強度的影響，確定KH550的濃度、表面處理后烘干的溫度和烘干時間最佳工藝參數。

1 試驗設計

1.1 試驗目的

考慮影響定子鐵心疊片表面處理后粘接質量的主要影響因素，已達到優化工藝參數的目的。

1.2 試驗條件

北京康美特公司KH225膠，硅烷偶聯劑KH550（工業級），1J50軟磁合金，無水乙醇，蒸餾水。

1.3 試驗因素

選用三個可變因素，分別為：硅烷偶聯劑質量份數、表面處理后烘干溫度、表面處理后烘干時間。

為了研究硅烷偶聯劑質量份數、表面處理后烘干溫度、表面處理后烘干時間對膠接質量的影響，特安排了三因素三水平的正交試驗，試驗因素與水平見表1.

表1 試驗因素與水平

1.4 試驗過程

1.4.1 配制硅烷偶聯劑水溶液

采用蒸餾水和乙醇共混溶劑作為硅烷偶聯劑的水解溶液。配制方法為按照質量份數比在蒸餾水中加入乙醇，置于磁力攪拌器上攪拌均勻，緩慢加入硅烷偶聯劑，攪拌3 h至溶液透明、均勻。

1.4.2 表面處理工藝參數的正交試驗設計

按照國家標準GB/T7124-2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定》制作1J50軟磁合金剪切試驗件，按照配置的質量份數溶液，將試件浸漬在水解后的硅烷偶聯劑溶液中（2min以內），選用L9（34）正交表（表2）進行試驗設計。其數據采集方法為：在每種試驗情況下，制作6件剪切件進行拉剪強度測試，每組剔除離散型較大的一個數據點，取5件的平均值記入試驗結果。

表2正交試驗表L9（34）

2 正交試驗結果分析

將干燥后的1J50軟磁合金按照目前生產線上的膠接工藝進行膠接。用萬能試驗機進行拉剪強度測試，剪切強度取5組數據的均值，如表3所列。

表3 表面處理后剪切強度數據

K1這一行的3個數，分別是因素A，B，C的第1水平所在的試驗中對應的剪切強度之和，同理，K2這一行的3個數分別是因素A，B，C的第2水平所在的試驗中對應的剪切強度之和，K3這一行的3個數分別是因素A，B，C的第3水平所在的試驗中對應的剪切強度之和。

k1，k2，k3 這三行的數，分別是 K1，K2，K3 這三行中的3個數分別是各水平對應的平均值。

同一列中，k1，k2，k3這3個數中最大者減去最小者所得的差即為極差。從表3可以看出，各列的極差是不同的，這說明各因素的水平改變時對試驗指標的影響是不同的。表3中因素B這一列極差最大4.58，說明因素B水平改變時對表面處理后剪切強度的影響最大，因此應作為考慮的主要因素，它的第3個水平對應的剪切強度平均值最大27.97，所以取B3最好。第一列即因素A的極差為2.06，僅次于因素B，以第1水平對應的數值最大26.12，所以取A1最好。第3列即因素C的極差為1.02，是3個因素中極差最小的，說明它的水平改變時對表面處理后剪切強度的影響最小，以其第3水平對應的數值25.73最大，所以取C3最好。

從以上結果分析可以得出結論：各因素對試驗指標（剪切強度）的影響按大小次序來說應當是B（烘干溫度）A（KH550質量份數）C（烘干時間），最好的方案為B3A1C3，即烘干溫度100℃，KH550質量份數5%，烘干時間2 h.

使用硅烷偶聯劑KH550處理后的粘接強度都在22.74 MPa以上，提高了約6 MPa，說明KH550表面處理可以明顯提高疊片粘接強度。同時通過對正交試驗數據的分析，各因素對剪切強度的影響按大小次序依次是B（烘干溫度100℃）A（配比5%）C（烘干時間2 h），最優方案是B3A1C3，剛好與狀態3試驗相符合。

這里分析出的最優方案為試驗中已進行過的3號試驗，從實際測試結果看第3號的剪切強度為30.56 MPa也是9次試驗中試驗最高的，這也說明找出的最優方案是符合實際的[9-11]。

3 產品應用驗證

定子鐵心的磁性能需要滿足技術指標要求，對表面處理后的鐵心疊片進行處理后進行了磁性能測試和產品生產應用驗證。磁性能測試結果如表4數據，可以看出表面處理前后，磁性能發生了小范圍變化，但是在技術指標要求范圍之內，可以應用與生產使用。

表4 表面處理后磁性能測試數據

在滿足磁性能設計要求的基礎上，按照正交試驗中優選的B3A1C3方案（狀態3）的工藝參數（質量分數5%、烘干溫度100℃、烘干時間2 h）和狀態6工藝參數（質量分數10%、烘干溫度100℃、烘干時間0.5 h）對疊片進行表面處理后，2種狀態各生產10件，按照正式產品生產流程進行應用驗證。

圖1是經疊裝、線切割和磨削后的兩組對比效果圖。疊片按照狀態6工藝參數進行KH550硅烷偶聯劑表面處理后10件產品開裂了3件，小樣本看較之前50%的合格率有所提高。疊片按照狀態3工藝參數進行KH550硅烷偶聯劑表面處理后10件產品全部合格，都未發生開裂現象。初步驗證選擇5%硅烷偶聯劑處理，選用100℃，烘干2 h后的疊片進行表面處理后，鐵芯疊片的粘接強度得到了明顯提高，小樣本范圍內合格率100%.

圖1 定子鐵芯2種狀態開裂情況

4 結束語

對陀螺馬達定子鐵心疊片用KH550硅烷偶聯劑表面處理后，通過設計正交試驗，確定了最佳的表面處理工藝參數質量份數5%、烘干溫度100℃、烘干時間2 h，應用產品進行機械加工驗證。鐵心疊片的粘接強度得到明顯改善，能夠很好地抵抗濕熱環境（線切割環境）和磨削力作用，在線切割和磨削工序中保持不開裂，產品的合格率得到了明顯提高。

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