小型鑄鋁轉子離心鑄造工藝研究

摘 要：現代大中型電機鑄鋁轉子以離心鑄造工藝生產居多，而小型鑄鋁轉子主要由壓鑄方式生產。文章對小型鑄鋁轉子的離心鑄造工藝展開研究，驗證了離心鑄造工藝對小型電機鑄鋁轉子實際生產的可行性，并提高了電機的整機運轉性能，取得了良好的成果。

關鍵詞：小型鑄鋁轉子；離心鑄造；順序凝固；致密度；電機效率

如何提高電機的工作效率，同時降低制造成本，一直是廣大電機設計制造者追求的目標，只有設計制造出更高效的電機產品，才能讓電機制造企業在激烈的市場競爭中生存，同時這也是當今社會節能減排、綠色發展的需要。

以往，我公司生產的小型鑄鋁轉子都采用壓鑄方式生產，電機效率一直無法得到有效提高，這是由壓鑄工藝性質本身所決定的，主要是由于壓鑄速度較快，鐵心內的空氣無法及時排出，造成鋁條及端環處出現細微的氣孔，從而影響了電機效率。近來，我公司為提高小型電機的工作效率，從提升轉子性能入手，研究了一套離心鑄造設備及工藝來生產小型鑄鋁轉子，取得了很好的應用效果，電機實際工作效率提高2%～3%。本文結合NEMA18-4P/2.2kW電機鑄鋁轉子，由壓鑄方式改為離心鑄造工藝后的實際性能進行分析。

1 轉子結構

本轉子鐵心為高沖自扣閉口槽結構，因此澆鑄時無需中套。鐵心外徑∮105mm，鐵心高度150mm，端環外徑∮103mm，端環內徑∮56mm，端環厚度12mm，軸孔∮34mm，轉子總重7.95kg，其中鋁部凈重0.98kg。

2 工藝方案

此小型鑄鋁轉子，國內自動化生產尚屬首次，無可借鑒經驗，又無資料可查。經過反復分析研究，精心擬定了一整套離心澆鑄工藝實施方案。其中包括自動化設備的研究，工藝參數確定和模具結構設計等。

2.1 自動化設備的研究

由于小型鑄鋁轉子一般批量較大，手動澆鑄無法滿足生產要求，所以為適應生產節奏，特研究了一整套雙工位自動化生產設備來提高生產效率，大量使用伺服電機、光電傳感器等先進電子元器件，采用先進PLC來進行控制，適用于外徑150mm以下，高度200mm以下的閉口槽轉子鐵心。主要結構包括：（1）鋁水保溫單元；（2）鐵心上料輸送單元；（3）轉子鐵心中頻加熱單元；（4）鐵心進出模抓取單元；（5）模具立式離心旋轉單元；，（6）鋁水自動澆鑄單元；（7）鑄鋁轉子下料輸送單元；（8）鑄鋁轉子自動切澆口及退假軸單元；（9）轉子碼垛單元。其中中頻加熱單元和模具立式離心旋轉單元為核心結構，關系到最終產品的質量。

2.2 模具結構設計

由于NEMA18-4P該型鑄鋁轉子鋁環內徑只有∮56mm，空間較小，考慮到直澆道拔模斜度等要求，上部鋁水入口處尺寸會更小，鋁液相對大型轉子直澆道更容易凝固，這就提高了工裝模具的設計制造的難度，也對澆鑄時工藝參數的穩定控制提出了更高的要求。

模具立式旋轉單元是整套設備最核心的部分，主要結構包括：（1）漏斗；（2）上模及直澆道；（3）鐵心及假軸；（4）下模及冷卻翅片；（5）變頻旋轉電機；（6）下模合模頂升套桿；（7）下模頂升油缸；（8）鑄鋁轉子出模頂升桿；（9）鑄鋁轉子出模頂升油缸；（10）底座。

2.2.1 上下模設計

澆注時嚴格遵循自下而上的順序凝固要求，故特意在下模端環位置加了冷卻翅片，澆注時隨上下模一起旋轉，以達到下模端環最先凝固的目的。同時在下模端環內側均布開出寬度5mm，深度0.1mm的排氣槽6個，以利于下端環排氣。下模定位止口直徑比鐵心外徑大0.1mm，即105.1mm。

上模與直澆道設計為一體，直澆道高度120mm，斜度為6度，內澆口為對稱兩瓣式，間隔6mm，澆口高度為4mm，同時在上模平衡柱上方均布開出寬度6mm，深度0.1mm的排氣槽8個，以利于上端環排氣。上模定位止口直徑與下模一致，即105.1mm。

2.2.2 假軸設計

轉子中心的假軸主要起到兩個作用，1、防止鋁液澆入軸孔，2、澆注完成后起到切除直澆口的作用。因此這就要保證假軸既能在高溫下連續工作而不變形，同時在切除澆口時要有足夠的強度，本設備采用的40Cr材料，加以適當熱處理，滿足生產要求。

2.3 工藝參數的確定

在離心鑄鋁工藝中，溫度是最為關鍵的參數之一，它的高低直接影響最終鑄鋁轉子質量。要想獲得合格的轉子，必須嚴格控制好模具溫度，鐵心溫度及鋁水溫度，只有這三者達到合理的溫度配合，嚴格遵循自下而上的順序凝固原理，同時在合理的離心轉速配合下，才能獲得合格的鑄鋁轉子。

2.3.1 上下模的預熱溫度

根據順序凝固原理，鑄鋁轉子的下端環應為最先凝固的部位，否則無法得到有效補縮而形成縮孔，因此下模預熱溫度應較低，實際以250～300℃為宜。而上端環及澆口為最后凝固的部位，同時為其它部位起補縮作用，因此上模預熱溫度應相對較高，以350～400℃為宜。

2.3.2 鐵心溫度

由于小型轉子槽型面積相對較小，為了不使澆鑄的鋁液過早凝固，因此鐵心預熱溫度相對較高，考慮到轉子在轉運過程中的熱量損失，實際鐵心預熱溫度在520～550℃。

2.3.3 鋁液溫度

本轉子鋁重0.98kg，考慮到直澆道補縮量及澆鑄過程中損失的鋁液，實際鋁液澆鑄量為1.3kg，由于該鐵心槽型較小，因此所需鋁液溫度相對較高，實際生產時控制在760～780℃。

2.3.4 離心機轉速

根據《鑄造實用手冊》中，以重力倍數（G）為基礎計算轉速（rpm）的公式：n=299G/R內，其中：G為重力加速度9.8，R內（cm）為轉子鋁端環內半徑，以此為參考，計算出合適的轉速為1046r/min，在實際澆鑄中發現，按此轉速澆出的轉子，下端環有拋空現象，后采用升速澆注法，一檔轉速為800r/min，，當倒入2/3鋁液后，進行二擋提速，速度升高至1046r/min，澆鑄出的轉子合格。

2.4 轉子性能分析

利用上述設備，按照上述工藝生產出的NEMA18-4P鑄鋁轉子性能優秀，整機裝配測試后，電機效率普遍提高2%～3%，取得了良好效果，達到了預期目的。對鋁端環切割后發現，比壓鑄的鋁端環致密度要更好，沒有壓鑄時普遍產生的直徑在∮1～∮2mm之間的小氣孔，這也直觀地印證了轉子性能的優秀。

2.5 經濟效益分析

以NEMA18-4P/2.2kW此型號電機為例，一天按工作16小時，效率提升2.5%計算，一年可節約電能：2.2*16*2.5%*365=321度，電價按照0.8元/度計算，一年可節約電費：321*0.8=256.8元，經濟效益顯著。

3 結束語

從試制的NEMA18-4P鑄鋁轉子結果看，無論從轉子制造質量，還是整機運行性能，都是非常成功的。其離心鑄造工藝參數選擇及模具結構設計合理，工藝方法可行。經了解，與國內其它電機廠家的同類型電機相比，該轉子裝配后的電機運行效率都是最高的。用離心澆鑄工藝生產的小型鑄鋁轉子電機，大大降低了客戶的后續使用費用，具有顯著的社會效益和經濟效果，值得推廣應用。

參考文獻

[1]張玉平.金屬型離心鑄造電機轉子工藝的改進[J].鑄造技術，1993（5）：43-44.

[2]曾海軍.轉子離心鑄鋁工藝探討[J].電機技術，1987（1）：45-47.

作者簡介：汪濤（1989-），男，漢族，浙江紹興人，助理工程師，本科學歷，畢業于長春工業大學，長期從事重力澆鑄，壓鑄，離心澆鑄等相關工作，現從事電機制造工藝，研究方向：材料成型，鑄造。