王屹峰

安徽皖南電機(jī)股份有限公司 安徽宣城 242500

1 序言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械化應(yīng)用程度越來(lái)越高，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。加上現(xiàn)在對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，電動(dòng)機(jī)作為一項(xiàng)綠色的動(dòng)力來(lái)源，備受青睞。直流電動(dòng)機(jī)是我們?nèi)粘?yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)之一。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)特性和調(diào)速特性；調(diào)速范圍廣、平滑，過(guò)載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小。但是由于直流電動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致其機(jī)座與普通三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座有明顯區(qū)別，且機(jī)座加工的工藝難度較高，特別是機(jī)座的止口與鐵芯擋的同心度難以保證。本文主要闡述了通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座特殊結(jié)構(gòu)及加工工藝的研究，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)了直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座的加工工裝夾具，不但提高了機(jī)座車削加工效率，同時(shí)也保證了機(jī)座的同心度，從而提升電動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量。

2 原車削夾具的介紹及存在的工藝問(wèn)題

直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座由于結(jié)構(gòu)特殊，它的機(jī)座外殼是由磁軛片疊壓焊接而成。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)座截面呈正方形，每層由4個(gè)形狀相同的磁軛片拼接而成，很多層磁軛片疊壓起來(lái)，再通過(guò)兩端的鐵端環(huán)和四周副板焊接組成（見(jiàn)圖1）。直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座外殼的作用有兩個(gè)：一是直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過(guò)的部分稱為磁軛；二是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，并起到整個(gè)電動(dòng)機(jī)的支撐和固定作用，同時(shí)通過(guò)鐵芯兩端的止口與端蓋的配合支撐轉(zhuǎn)子和保護(hù)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組。

圖1 直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座

原Z4鐵芯臥式車床夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原Z4鐵芯臥式車床夾具結(jié)構(gòu)

在車削加工機(jī)座兩端的止口時(shí)，先將夾具兩端的壓緊螺母和方形壓板拆下，再將十字心軸通入機(jī)座鐵芯內(nèi)腔，然后分別裝上兩端的方形壓板，最后分別通過(guò)兩端螺母緊固壓緊。由于鐵芯內(nèi)腔與夾具的十字心軸的配合面是由一片片磁軛片疊壓而來(lái)，疊壓后鐵芯位置有毛刺、形狀不規(guī)則、形成的內(nèi)腔直徑一致性較差，所以導(dǎo)致工裝定位鐵芯難以通入機(jī)座；而且與心軸配合面屬于非加工面，表面非常粗糙且直線度較差，導(dǎo)致無(wú)法在工藝要求的配合間隙下來(lái)完成車削夾具的安裝。為了完成裝夾，只能增大工裝與鐵芯的配合間隙，一旦增大夾具與鐵芯的配合間隙，當(dāng)十字心軸通入鐵芯內(nèi)，由于重力作用，肯定會(huì)偏向一邊，裝夾壓緊后車出來(lái)的兩端止口同心度較差。通過(guò)測(cè)量，同心度小的幾十絲，大的超過(guò)1mm，它會(huì)直接影響整機(jī)裝配后定、轉(zhuǎn)子氣隙的均勻度，甚至導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子抱死，完全不能保證圖樣要求。原臥式車床夾具無(wú)論是機(jī)座的裝夾還是拆卸都需將兩端螺母完全拆下，卸下壓板，才能完成裝夾和拆卸；操作過(guò)程繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。

3 新型臥式車床夾具的優(yōu)化改進(jìn)

為了解決上述問(wèn)題，我們對(duì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)圖樣和加工方案進(jìn)行研究和分析，不斷地驗(yàn)證、優(yōu)化改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出一套新型的機(jī)座臥式車床夾具。新型的臥式車床夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型的臥式車床夾具結(jié)構(gòu)

新型的臥式車床夾具將其裝夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可調(diào)裝置，類似于脹胎結(jié)構(gòu)。中間同樣采用一根心軸，在心軸中間位置均布安裝4個(gè)固定的副筋，副筋上安裝一根長(zhǎng)條的T型塊，再將帶有T型槽的滑塊順著T型塊插入，確?；瑝K可以順暢的在副筋上滑動(dòng)；由于T型塊的作用，滑塊只能在軸向滑動(dòng)，徑向不會(huì)脫落；滑塊的前端安裝卡塊，通過(guò)卡塊將壓緊螺母與4個(gè)滑塊相連；滑塊的外沿兩側(cè)對(duì)稱安裝定位塊，使其與滑塊的總厚度略小于鐵芯的主極安裝槽寬度，一般取0.5～1.0mm的配合間隙，定位塊前端設(shè)計(jì)20mm×15°倒角，即方便夾具的快速裝夾定位，同時(shí)定位塊卡在主極安裝槽內(nèi)又可防止在車削過(guò)程中，夾具在鐵芯內(nèi)圓發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)軸的一端車有螺紋，旋緊和松開(kāi)螺母時(shí)，通過(guò)卡塊來(lái)帶動(dòng)4個(gè)滑塊在軸向左、右滑動(dòng)，副筋與滑塊的接觸面采用的是帶角度θ的斜面配合；當(dāng)滑塊左右滑動(dòng)時(shí)，4個(gè)滑塊徑向直徑就會(huì)隨之縮小和變大，很方便實(shí)現(xiàn)拆卸和脹緊機(jī)座的功能。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）提高同心度 新型臥式車床夾具為了提高機(jī)座止口與鐵芯擋的同心度，以機(jī)座的鐵芯擋定位，一次裝夾來(lái)完成兩端的止口和止口平面的精車。新結(jié)構(gòu)夾具在裝夾壓緊螺母時(shí)，4個(gè)滑塊同時(shí)向外脹緊，排除了裝夾間隙，這樣加工出來(lái)的機(jī)座止口同心度就取決于夾具自身的同心度。

為了保證新結(jié)構(gòu)夾具自身的同心度，采用了一種特殊的加工工藝方案，如圖4所示。通過(guò)加長(zhǎng)螺桿將副筋和滑塊一起裝配到轉(zhuǎn)軸上，使其與轉(zhuǎn)軸形成一個(gè)整體，再通過(guò)裝夾轉(zhuǎn)軸兩端頂針孔，來(lái)車削滑塊的端面和外圓面兩個(gè)與機(jī)座配合的位置。車削完成后，拆掉加長(zhǎng)螺桿，使滑塊可以在副筋上自由滑動(dòng)，最后安裝端面卡扣和前端的壓緊螺母，新結(jié)構(gòu)的夾具加工完成。

圖4 新結(jié)構(gòu)夾具加工工藝方案

對(duì)新結(jié)構(gòu)的夾具裝夾和松卸進(jìn)行分析，如圖5所示。夾具在原始的松卸狀態(tài)，滑塊的外圓到轉(zhuǎn)軸軸線距離為H；夾具裝夾機(jī)座脹緊狀態(tài)后，滑塊的外圓到轉(zhuǎn)軸軸線距離為H1。我們對(duì)圖中脹緊狀態(tài)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析計(jì)算：

圖5 夾具松卸狀態(tài)和脹緊狀態(tài)

設(shè)滑塊軸向滑動(dòng)距離為△L、滑塊徑向外圓距離為△h，要保證脹緊后滑塊外圓與轉(zhuǎn)軸同心，就必須保證4個(gè)方向H1相等。

因H1＝H +△h、△h＝sinθ·△L，故H1＝H +sinθ·△L。

由上式可以看出，影響H1的因素有H、摩擦角θ和軸向移動(dòng)距離△L。

新結(jié)構(gòu)的臥式車床夾具滑塊外圓已經(jīng)車削，H值相等。副筋的斜面采用線切割工藝加工，將4塊副筋裝夾在一起，用線切割一次切割成形，確保4塊副筋的摩擦角θ相等?；瑝K是由壓緊螺母的平面擠壓，產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)。在松卸狀態(tài)車削夾具滑塊外圓時(shí)，4塊滑塊安裝卡扣的端面必須緊貼壓緊螺母的平面，這樣就保證了4個(gè)滑塊起始端面在同一平面，脹緊狀態(tài)后還是在同一平面，確保4個(gè)滑塊軸向移動(dòng)距離△L相等。

新結(jié)構(gòu)夾具保證了4個(gè)方向的H、sinθ和△L的變化都相等，也就保證了脹緊狀態(tài)夾具外圓到轉(zhuǎn)軸軸線距離H1相等，最終為機(jī)座車削加工止口與鐵芯擋的同心度提供了有效的保障。

（2）工裝夾具自鎖功能 機(jī)座在車削時(shí)，旋轉(zhuǎn)的機(jī)座有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，由于頻繁的起動(dòng)和停止，再加上車削時(shí)的振動(dòng)，壓緊螺母會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，所以單純的依靠螺母的持續(xù)壓緊來(lái)實(shí)現(xiàn)脹緊機(jī)座，可靠性比較差。車削過(guò)程中，機(jī)座高速旋轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)松動(dòng)，就有可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。為了解決該問(wèn)題而設(shè)計(jì)的這個(gè)新型夾具，不但能快速脹緊，而且脹緊后能實(shí)現(xiàn)自鎖，無(wú)論脹緊力多大，都不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。

滑塊的配合位置局部如圖6所示，上面部分是副筋；中間斜面是配合面；下面部分是滑塊，它可以在副筋斜面上滑動(dòng)；滑塊的斜面與轉(zhuǎn)軸的軸線夾角為θ，我們稱之為摩擦角θ。我們?cè)诨瑝K位置對(duì)工裝裝夾后的狀態(tài)進(jìn)行受力分析。

圖6 滑塊的配合位置局部

機(jī)座在裝夾脹緊狀態(tài)，會(huì)對(duì)滑塊產(chǎn)生一個(gè)反作用合力，如圖6中的脹緊力F，根據(jù)力的分解原理，我們將脹緊力F分解成垂直壓力FN和滑動(dòng)力F1，滑動(dòng)力F1會(huì)讓滑塊產(chǎn)生一個(gè)沿著副筋斜面滑動(dòng)的趨勢(shì)；同時(shí)垂直壓力FN將滑塊壓緊在副筋上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的靜摩擦力Ff，來(lái)阻止滑塊滑動(dòng)。

由圖6可知，滑動(dòng)力F1＝Fsinθ、垂直壓力FN＝Fcosθ、靜摩擦力Ff＝FNf，其中f為靜摩擦系數(shù)。為了保證夾具脹緊后能夠自鎖，滑塊不能產(chǎn)生滑動(dòng)，就必須保證：靜摩擦力Ff＞滑動(dòng)力F1，即FNf＞Fsinθ，推導(dǎo)得出f＞tanθ。

由此可以得出結(jié)論：當(dāng)靜摩擦系數(shù)f大于摩擦角θ的正切值時(shí)，無(wú)論脹緊力多大，滑塊都不會(huì)滑動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

滑塊和副筋都采用Q235鋼板，它們配合斜面加工的表面粗糙度值Ra在12.5μm左右，滑塊與副筋之間的摩擦系數(shù)f大約在0.10～0.15。我們?cè)谠O(shè)計(jì)這個(gè)斜面的時(shí)候，摩擦角θ的正切值必須小于摩擦系數(shù)f（tanθ＜0.1），為了保證自鎖的可靠性，設(shè)計(jì)摩擦角度需要留一定的余量，所以在設(shè)計(jì)θ角度時(shí)一般取2.5°～ 4°。這樣可以確保摩擦角的正切值小于摩擦系數(shù)，無(wú)論作用于滑塊上的脹緊力F怎樣大，總有一個(gè)反向靜摩擦力Ff與之平衡，滑塊保持靜止。當(dāng)機(jī)座加工完成后，松開(kāi)壓緊螺母，螺母通過(guò)卡扣帶動(dòng)滑塊作軸向運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于在滑塊上施加了一個(gè)軸向拉力F，如圖7所示。軸向拉力可以分解成F1和F2，旋轉(zhuǎn)松開(kāi)螺母，很容易獲得一個(gè)大于靜摩擦力Ff的分解力F1，滑塊就會(huì)軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速松卸的目的。

圖7 滑塊受力分析

5 新老結(jié)構(gòu)夾具效果對(duì)比

在車間隨意抽取兩個(gè)機(jī)座號(hào)Z4-160和Z4-200，每種規(guī)格各抽樣10臺(tái)，分別用新、老結(jié)構(gòu)的臥式車床夾具進(jìn)行加工，對(duì)裝夾時(shí)間和止口同心度檢驗(yàn)記錄，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 工藝驗(yàn)證對(duì)比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：①不論是加工Z4-160還是Z4-200的機(jī)座，新結(jié)構(gòu)夾具的裝夾時(shí)間比原結(jié)構(gòu)要節(jié)約很多，工作效率提高非常明顯。②新結(jié)構(gòu)夾具加工的機(jī)座止口與鐵芯擋的同心度有明顯提高，跳動(dòng)基本可以控制在0.2mm以內(nèi)，滿足圖樣要求，也為整機(jī)的同心度提供了有效保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

新結(jié)構(gòu)的機(jī)座臥式車床工裝，利用脹緊結(jié)構(gòu)，排除裝夾間隙，大大提高了方形工件兩端止口與中心的同軸度，同時(shí)它裝夾簡(jiǎn)單方便，裝夾可靠性高，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了工作效率；而且該工裝夾具可以一機(jī)多用，材料利用率高，也降低了模具的成本。