蘇瀟何 SU Xiao-he 喬招偉 QIAO Zhao-wei 任向武 REN Xiang-wu

摘要：在金屬材料布氏硬度試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出一種在固定硬度的材料上壓入一定深度所需壓力的計(jì)算方法，該方法可以用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子導(dǎo)條滾壓漲緊壓力，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，可以作為機(jī)床設(shè)計(jì)改造的理論依據(jù)。

Abstract： Based on the Brinell hardness test method of metal materials，a calculation method of the pressure required to press into a certain depth on a material with fixed hardness is deduced，this method can be used to calculate the rolling tightening pressure of rotor-bar，the calculated results are consistent with the experimental results，it can be used as the theoretical basis for the design and transformation of machine tools.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條;滾壓漲緊;壓力;滾刀

Key words： rotor-bar;rolling tension;pressure;hobbing cutter

中圖分類號(hào)：TK266? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0073-02

0? 引言

電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在穿入沖片槽后，需要進(jìn)行漲緊工序。目前導(dǎo)條漲緊主要有人工敲擊漲緊、導(dǎo)條沖漲機(jī)沖擊漲緊、導(dǎo)條滾壓機(jī)滾壓漲緊三種方式。

人工敲擊漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，一致性差，同時(shí)人工成本高，是一種比較傳統(tǒng)的漲緊方式;導(dǎo)條沖漲機(jī)沖擊漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性也能保證，但在沖擊漲緊的過(guò)程中，噪音很大，對(duì)操作人員及周圍生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員造成了很大影響;導(dǎo)條滾壓機(jī)滾壓漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，它是利用滾刀在導(dǎo)條上滾動(dòng)擠壓的方式漲緊，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，也不會(huì)產(chǎn)生噪音，是一種比較理想的導(dǎo)條漲緊方式。

目前我公司所使用的滾壓漲緊機(jī)床為國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，成本較高;所使用的沖擊漲緊機(jī)床工作時(shí)噪音很大。為了改善生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，解決沖擊漲緊導(dǎo)條時(shí)噪音較大的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)條滾壓漲緊機(jī)床的國(guó)產(chǎn)化，考慮將沖擊漲緊機(jī)床的沖頭替換為滾刀，利用氣缸推動(dòng)滾刀擠壓導(dǎo)條，同時(shí)滾刀沿轉(zhuǎn)子做軸向移動(dòng)，從而達(dá)到漲緊導(dǎo)條的目的。但是，這種改進(jìn)會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題：要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)條漲緊，氣缸需要對(duì)滾刀形成多大的推力（壓力） ？本文為解決這個(gè)問(wèn)題提供一種計(jì)算方法。

1? 計(jì)算思路概述

1.1 漲緊壓力與已知量的函數(shù)關(guān)系

不同型號(hào)的電機(jī)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度不盡相同，但對(duì)于確定型號(hào)的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度是確定的;另外，根據(jù)車間生產(chǎn)實(shí)際，當(dāng)滾刀在導(dǎo)條上壓入一定深度（例如1mm）時(shí)，就可以確定轉(zhuǎn)子導(dǎo)條已經(jīng)漲緊。由此，可以得到兩個(gè)已知量：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度HBW和導(dǎo)條漲緊時(shí)滾刀需要壓入的深度h刀，而未知量是漲緊時(shí)滾刀需要的壓力F刀，那么，找出已知量和未知量之間的函數(shù)關(guān)系成為首要的問(wèn)題。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 231.1-2009中對(duì)布氏硬度試驗(yàn)方法的規(guī)定，可以得到布氏硬度的計(jì)算公式：

由上面的公式可以看出，只需要將物理量h代入布氏硬度的公式中，就可以得到壓力F與布氏硬度HBW和壓入深度h之間的函數(shù)關(guān)系，即：（1）

式中：HBW——布氏硬度;F——壓力;D——施壓硬質(zhì)合金球直徑;h——壓入深度。

在GB/T 231.1-2009的規(guī)定中，實(shí)施擠壓的是固定直徑的硬質(zhì)合金球，所以式（1）其實(shí)給出了在硬質(zhì)合金球施壓時(shí)，壓力F與布氏硬度HBW和壓入深度h之間的函數(shù)關(guān)系。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，施壓的是盤形滾刀而非硬質(zhì)合金球，那么，如何將式（1）應(yīng)用于滾刀的壓力計(jì)算成為下一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

1.2 滾刀與硬質(zhì)合金球之間的轉(zhuǎn)換

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在此引用壓強(qiáng)的概念。壓強(qiáng)是表示壓力作用效果的物理量，即：使物體產(chǎn)生形變效果的物理量。無(wú)論是滾刀漲緊還是硬質(zhì)合金球擠壓，其目的都是通過(guò)壓力使物體產(chǎn)生形變從而達(dá)到漲緊的效果，而壓強(qiáng)正是表示壓力作用效果的物理量，則可令硬質(zhì)合金球在導(dǎo)條上產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于滾刀在導(dǎo)條上產(chǎn)生的壓強(qiáng)，就可以將兩者合理地關(guān)聯(lián)起來(lái)。即：

由上容易推得：（2）

式中：F刀——滾刀壓力;F球——硬質(zhì)合金球壓力;

S刀——滾刀受力面積;S球——硬質(zhì)合金球受力面積。

通過(guò)式（2），成功地建立起了滾刀壓力F刀與硬質(zhì)合金球壓力F球之間的函數(shù)關(guān)系，從而能夠?qū)?guó)標(biāo)規(guī)定的計(jì)算硬質(zhì)合金球壓力的公式（1）應(yīng)用于滾刀壓力的計(jì)算。

2? 各物理量的計(jì)算

由式（2）可知，要計(jì)算出滾刀壓力F刀的大小，需要分別計(jì)算出滾刀的受力面積S刀、硬質(zhì)合金球的受力面積S球以及硬質(zhì)合金球的壓力F球。下面將分別給出這三個(gè)物理量的計(jì)算方法。

2.1 滾刀受力面積S刀的計(jì)算

滾壓漲緊導(dǎo)條時(shí)使用的滾刀如圖1所示，由三維圖形容易看出，滾刀壓入轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的部分在壓力方向上的受力面積為其弧形面部分的面積加上兩個(gè)側(cè)面在弧形面上投影的面積。進(jìn)一步分析可知，弧形面自身的面積和兩個(gè)側(cè)面在弧形面上投影的面積之和可以等效為一個(gè)長(zhǎng)方形的面積，該長(zhǎng)方形的長(zhǎng)為滾刀壓入轉(zhuǎn)子部分的弧長(zhǎng)，寬為滾刀壓入轉(zhuǎn)子部分的寬度，而這兩個(gè)量容易求出，則可得：

（3）

2.2 硬質(zhì)合金球受力面積S球的計(jì)算

假設(shè)用硬質(zhì)合金球壓入轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，容易知道，硬質(zhì)合金球壓入的部分是一個(gè)球缺，則其在壓力方向上的受力面積為球缺的側(cè)面積，而球缺側(cè)面積計(jì)算公式為A=2πrh，則可得：

S球=2πrh球（4）

式中：S球——硬質(zhì)合金球受力面積;

r——硬質(zhì)合金球半徑;

h球——硬質(zhì)合金球壓入深度。

2.3 硬質(zhì)合金球壓力F球的計(jì)算

根據(jù)式（1），容易得出硬質(zhì)合金球壓力F球的計(jì)算公式：

（5）

式中：F球——硬質(zhì)合金球壓力;

HBW——導(dǎo)條布氏硬度;

D——硬質(zhì)合金球直徑;

h球——硬質(zhì)合金球壓入深度。

2.4 滾刀壓力F刀的計(jì)算

將式（4）、式（5）同時(shí)代入式（2），可得：

通過(guò)約分，可以約去硬質(zhì)合金球直徑D（D=2r）和硬質(zhì)合金球壓入深度h球這兩個(gè)物理量，則：

（6）

由式（6）可以看出，滾刀所受壓力F刀與導(dǎo)條的布氏硬度HBW及滾刀的受力面積S刀成正比例關(guān)系，容易知道，滾刀的受力面積S刀又是由滾刀壓入導(dǎo)條的深度h刀決定的，所以，這個(gè)等式最終確定了滾刀壓力F刀與導(dǎo)條布氏硬度HBW和滾刀壓入深度h刀之間的關(guān)系，從而確定了1.1論述中的未知量和兩個(gè)已知量之間的函數(shù)關(guān)系。

3? 計(jì)算實(shí)例

實(shí)際生產(chǎn)中，以我公司生產(chǎn)的某一型號(hào)的電機(jī)為例，該電機(jī)目前是采用導(dǎo)條沖漲機(jī)沖擊漲緊的方式來(lái)漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的，現(xiàn)利用上述的方法計(jì)算一下滾壓漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條時(shí)所需壓力的大小。

該電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度HBW=110;滾刀壓入導(dǎo)條0.8mm-1.5mm時(shí)，認(rèn)為導(dǎo)條已漲緊，計(jì)算時(shí)，取最大深度1.5mm;滾刀的外徑為60mm，滾刀刀刃厚度為1mm，刃口夾角為37.3°;硬質(zhì)合金球的直徑為10mm。則可得如下計(jì)算：

可以看出，假如采用滾刀滾壓的方式漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，需要?dú)飧滋峁┘s41.3kN的推力（壓力）。

4? 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這種計(jì)算方法的可行性，通過(guò)制作試驗(yàn)刀具架及刀軸，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行壓力試驗(yàn)，得到了如表1所示試驗(yàn)結(jié)果。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，理論計(jì)算壓力數(shù)值與實(shí)際試驗(yàn)壓力數(shù)值之間的偏差很小，在機(jī)床改造設(shè)計(jì)中，表1的偏差率在容許的范圍內(nèi)。

5? 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條漲緊是電機(jī)生產(chǎn)制造中的一項(xiàng)重要工序，對(duì)電機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命有重要影響。文章提供了一種滾壓漲緊導(dǎo)條時(shí)所需壓力的計(jì)算方法，闡述了該方法中用到的各個(gè)物理量的推導(dǎo)過(guò)程和計(jì)算公式，最后通過(guò)具體計(jì)算實(shí)例和試驗(yàn)驗(yàn)證確定了該計(jì)算方法的可行性，為沖擊漲緊機(jī)床的改造提供了理論基礎(chǔ)。另外，文章提供的盤形滾刀的計(jì)算方法，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式的刀具，也可以利用這種方法進(jìn)行計(jì)算，只需要根據(jù)刀具的具體結(jié)構(gòu)變換其受力面積即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四版 第1卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]GB/T 231.1-2009 金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法.

[3]任曉輝，許曉亮，陳薦英，王宇航.軌道牽引電機(jī)導(dǎo)條漲緊方案[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2021，48（4）.