汽車電機用換向器入軸開裂問題的探討

戢秀芬

（浙江長城換向器有限公司，浙江 溫州 325200）

1 換向器入軸開裂簡介

換向器是直流電機中的重要部件之一，它的品質影響和決定著直流電機的使用及壽命。在直流電機生產過程中，入軸是重要工序，如果換向器內孔與電機軸配合不良，則直接影響后工序。若配合松動，后續繞線時能發現；若有較大的換向器裂紋，在繞線、點焊、精車時能發現；若存在隱性裂紋，在后工序中不易發現，有部分到電機最終噪聲測試時會發現，有部分可能到顧客使用時才會發現。品質隱患大，不容忽視。

降低換向器入軸開裂是換向器設計制造和電機制造中的一個重要點。可以通過優化換向器產品和工藝設計增加換向器的入軸性能，通過模擬電機入軸過程進行測試，以驗證設計性能是否達到要求；可以改善電機制造過程，預防換向器開裂。

換向器的入軸性能，目前還沒有準確實用的計算方法，由于換向器的結構形狀不斷改變，模塑料選型也多樣化，各生產廠家依據模塑料供應商推薦的使用范圍選擇合適的模塑料，生產樣品供顧客測試，根據顧客反饋進行調整，最終確定產品圖樣和工藝過程，組織批量生產。

本文從換向器設計、加工工藝、過程控制方面改善換向器性能，從換向器入軸過程方面控制改善，降低換向器開裂風險。

2 結構設計改進

換向器的外形結構，如：鉤形、槽形等均已由顧客圖紙給定，包括外形尺寸。本文重點討論換向片的設計，就插片結構而言，一般采用燕尾型，鉤部沖成型和未成型兩種。性能要求高的起動電機因轉速高、功率大，且銅片一般較厚，過去一直采用長方形狀設計（圖1），車削余量大，難加工、銅材消耗大，被淘汰的較多。性能要求一般的采用冷擠壓工藝成型，要求高的則采用7字形結構設計（圖2）。

圖1 長方形結構換向片

圖2 7字型結構換向片

7字形結構設計用料省，外圓加工余量（單邊車削余量）大大減少。現就同一規格型號的產品對比發現：銅材使用減少30%，單邊車削余量減少5.7 mm。同規格換向器進行過盈量試驗的實測結果見表1。

3 模塑料合理選擇

目前生產換向器用模塑料，最具代表性的有日本生產的PM系列、CN系列、CP系列、RX系列，國產的有WH系列、AL系列、JM系列。以上的模塑料，不論日產還是國產，均各有特征，能滿足不同類型、不同檔次的換向器生產。在選擇模塑料時，可根據換向器的使用要求，對比價格和性能，選擇合適的模塑料。例如，在同等價格和檔次下，CN系列比PM系列的韌性相對要好，但在去除廢料時會比較困難，對模具精度要求較高，選擇時要根據公司工藝和模具水平進行取舍。

具體情況可在開發樣品時，根據原材料廠家提供的材料特性數據表對比選擇，并采用幾種模塑料同時生產，對比模塑料的生產工藝性和性能，做過盈量測試驗證。

選擇外徑15.1 mm、內徑8 mm、高度13 mm、8片搖窗電機用換向器，在同樣生產條件下，PM6630材料的入軸性能優于PM6432材料，PM6432材料的入軸性能又優于PG6559材料。

表1 同規格換向器過盈量試驗的實測結果

4 制定固化曲線

同種產品、同種模塑料、同副模具、同時生產、同樣的機加工方法，影響入軸性能最大的是固化的溫度和時間。一般來講，固化的溫度越高、時間越長，入軸性能越差。換向器要取得好的品質穩定性，固化是最大的因素，起著排出水分和氣體，固定性能的重要作用，設定固化工藝過程至關重要。要考慮溫度、升溫時間、保溫時間、冷卻時間及裝箱數，重要的是需評估顧客對入軸性能、點焊性能、耐溫性能等機械和其它電氣性能的綜合要求，取最優的固化工藝，滿足顧客要求。固化工藝曲線如圖3所示。

在其它條件不變的情況下，對同一型號的換向器固化工藝進行調整，對比調整前和調整后的過盈量，實測結果見表2（包括其它相關性能）。

5 壓模保溫性和穩定性

舊工藝采用移動式壓塑模生產，在壓制過程中模具是活動的，模塑料直接放在模筒里通過上、下壓頭閉合成形，因模溫不穩定、跑料和熔融時間不易控制，產品內部模塑料易產生熔融不好、填充不實、強度不足等缺陷，過盈量較低，不能滿足顧客使用要求。壓塑缺陷類型如圖4所示。

改進壓模保溫性，將移動模改為固定模，確保上、下模模溫穩定。有2塊中模的，采用中模保溫方式，解決了模溫不穩定造成的影響；同時解決了在移動過程中，料室注口碰傷、注口大小不一致、模塑料流入模腔的量有差異而導致個別產品填充不好等問題，使品質穩定性得到保證。

圖3 固化工藝曲線

圖4 壓塑缺陷類型

采用自動推拉模壓注方式，將上、下模固定，只移動中模上、下料，模溫穩定，注料口不會碰變形，模塑料通過上模從注口注入成型，控制模具溢料，提高產品充填的致密性，確保過盈量一致，解決了產品入軸開裂不良。自動推拉模模具如圖5所示。

圖5 自動推拉模模具

6 加工過程控制

換向器從成型開始，每個加工過程都需要嚴格控制，依據歷史經驗和現有的加工方式、設備工模，通過做好潛在失效分析及對策，防止加工過程造成隱性裂紋入軸時開裂。

1）保證壓模模架定位垂直、壓機水平，防止產品脫模時內孔被拉裂或存在細小裂紋。

2）保證車內孔內脹芯軸的氣缸氣壓，防止氣壓過大造成內孔頂裂或存在隱性裂痕。

3）保證彎鉤成型限位彈簧位置恰當，防止位置過低壓壞產品或造成隱性內傷。

對于模塑料脆性大的產品，要防止外力碰撞和高處跌落。因其韌性不足易產生細裂紋造成隱性傷痕難發現，會影響入軸性能。

7 入軸過程

確保定位面水平且芯軸垂直入軸；確保芯軸尺寸符合設計和圖紙要求；對于軋筋的芯軸，需確保筋的鋒利，防止入軸的切入力變成擠壓力。

8 結語

新開發或改型時，在滿足使用性能的前提下，盡可能采用7字型或冷擠壓工藝，對性能要求不高的產品采用銅皮結構生產，對性能要求稍高的插片結構換向器可采用鉤直接沖成型或塑料殼工藝使槽直接成型，減少加工工序，降低開裂隱患。壓制和固化工序，需合理選擇工藝。各工序生產過程中，需依據產品特性做好防護、控制及工藝參數選擇、工裝等優化，防止隱性裂紋的發生。

附錄：過盈量測試方法：為了確定換向器的最大壓爆力和從剛開始壓入到初始開裂所走過的距離，需要用一根1∶500錐度軸，以50 N 500 mm/min的速度壓入內孔，直到出現初始開裂（下滑力）。測試結果會采用圖表（圖表上會記錄內孔開裂時所走過的距離和力的大小）的方式顯示出根據類型，最終結果需滿足圖紙上規定的要求。