蘆懷志,張明秋,王殿君,張吉生
(黑龍江工業(yè)學(xué)院現(xiàn)代制造工程學(xué)院,黑龍江 雞西 158100)
電機機座是電機結(jié)構(gòu)中的重要組成,通過鐵芯檔內(nèi)圓與定子鐵芯配合,實現(xiàn)固定及支撐定子鐵芯的作用,通過其兩端內(nèi)止口與端蓋配合,實現(xiàn)對電機繞組的保護(hù)及對轉(zhuǎn)子的支撐作用[1],更關(guān)鍵的是,電機機座的機械制造精度對于電機性能具有重要影響。電機機座兩端內(nèi)止口軸心線相對于定子鐵芯檔內(nèi)圓軸心線的同軸度精度很可能對定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙均勻性產(chǎn)生影響,進(jìn)而對正常工況下電機運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響[2-3]。在應(yīng)用現(xiàn)有立式車床及設(shè)備的基礎(chǔ)上,為達(dá)到改善電機機座加工同軸度誤差的目的,研發(fā)電機機座加工專用工藝裝備。
電機制造企業(yè)針對電機機座加工的同軸度誤差工藝要求規(guī)定為≤0.03 mm,但在實際生產(chǎn)中應(yīng)用定位胎具作為定位工裝對電機機座內(nèi)止口定位裝夾時,在電機機座內(nèi)止口與定位胎具之間的間隙配合影響下,會引起電機機座兩端內(nèi)止口的軸線相對于鐵芯檔內(nèi)圓的軸線發(fā)生偏移并產(chǎn)生基準(zhǔn)位置誤差,導(dǎo)致加工后的電機機座其同軸度誤差超差30%~50%,有時甚至達(dá)到0.05 mm以上[4]。針對電機機座加工同軸度超差問題,解決思路是從根本上消除基準(zhǔn)位置誤差為目的,研發(fā)設(shè)計電機機座加工專用工藝裝備。
電機機座加工專用工藝裝備整體結(jié)構(gòu)主要由定心定位機構(gòu)、齒輪齒條升降機構(gòu)、螺旋壓板機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、底座等機構(gòu)組成。利用專用工藝裝備對電機機座裝夾前后分別如圖1和圖2所示。定心定位機構(gòu)作為最核心的執(zhí)行機構(gòu),主要用于實現(xiàn)對電機機座內(nèi)止口的定心定位精度,其主要工作原理是通過圓錐面對彈性套內(nèi)表面產(chǎn)生擠壓作用,迫使彈性套變形并壓緊內(nèi)止口,從而實現(xiàn)定心定位,消除基準(zhǔn)位置誤差,如圖3所示。齒輪齒條機構(gòu)作為升降機構(gòu),主要用于實現(xiàn)定心定位機構(gòu)的升降;螺旋壓板機構(gòu)主要用于對定位后的電機機座進(jìn)行夾緊及固定;導(dǎo)向機構(gòu)主要用于實現(xiàn)定心定位機構(gòu)按指定路徑升降的作用;底座主要用于保證定心定位機構(gòu)定位準(zhǔn)確及對各機構(gòu)的支撐固定。
圖1 電機機座裝夾前Fig.1 Before clamping the motor frame
圖2 電機機座裝夾后Fig.2 After clamping the motor frame
圖3 電機機座與彈性套配合定位示意圖Fig.3 Schematic diagram of the positioning of motor frame and elastic sleeve
利用定位工裝對一批電機機座進(jìn)行定位過程中,由于電機機座與定位工裝的定位部件之間存在定位誤差,引起這批電機機座在定位后的位置不完全一致,導(dǎo)致電機機座加工產(chǎn)生加工誤差。定位誤差作為加工誤差的重要組成部分,主要反映電機機座的兩端內(nèi)止口軸線與定子鐵芯軸線的最大位置變動量所引起的加工誤差。因此,工裝設(shè)計過程中有必要對定位誤差進(jìn)行分析計算,保證電機機座加工專用工藝裝備設(shè)計符合實際生產(chǎn)要求。
以加工YB-225S型電機的電機機座為例,電機機座內(nèi)止口在第一次精車按基孔制加工后的尺寸為Φ284+0.060 mm,與其間隙配合的定位胎具尺寸為Φ2 840-0.03 mm。定位誤差從產(chǎn)生原因角度可以分為定位基準(zhǔn)不重合誤差δ不重和定位基準(zhǔn)位置誤差δ位置兩種[5-6]。夾具定位方案中,由于電機機座的定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)是重合的,故δ不重=0 mm;而定位基準(zhǔn)位置誤差δ位置主要與定位胎具外圓尺寸變動量T定位胎具、電機機座內(nèi)孔尺寸變動量TD及定位胎具外圓尺寸與電機機座內(nèi)孔尺寸最小配合間隙Xmin等一系列參數(shù)相關(guān),根據(jù)定位誤差計算公式可以得到:
定位基準(zhǔn)不重合誤差:δ不重=0 mm,
定位基準(zhǔn)位置誤差:δ位置=TD+T定位胎具+Xmin=0.06+0.03=0.09 mm。
因此,傳統(tǒng)工藝方案中利用定位胎具定位的定位誤差為:δ定位=δ不重+δ位置=0+0.09=0.09 mm,而實際生產(chǎn)圖紙要求電機機座兩端內(nèi)止口對鐵芯檔內(nèi)圓的同軸度誤差為0.03 mm。工程設(shè)計中認(rèn)為定位誤差<(1/5~1/3)控制誤差時,定位方案才被認(rèn)為合理,而定位誤差δ定位=0.09 mm﹥﹥0.006~0.01 mm,故定位方案不合理。
對電機機座加工專用工藝裝備的定位誤差進(jìn)行分析計算,可求得基準(zhǔn)不重合誤差δ不重=0;由于電機機座加工專用工藝裝備可實現(xiàn)自動定心定位,達(dá)到了消除基準(zhǔn)位置誤差的目的,故基準(zhǔn)位置誤差δ位置=0,從而計算出定位誤差δ定位=δ不重+δ位置=0,故定位方案合理。
電機機座定位夾緊后,加工過程中會受到許多外力(如切削力、慣性力等)的作用,破壞電機機座定位的準(zhǔn)確性。因此必須應(yīng)用夾緊夾具對電機機座夾緊定位,使其在加工過程中不會因受切削力、慣性力等作用而使電機機座發(fā)生偏移或振動。
應(yīng)用螺旋壓板機構(gòu)配合電機機座加工專用工藝裝備對電機機座進(jìn)行夾緊固定。以加工YB-225S型電機的電機機座為例,由于電機機座粗車加工階段比精車加工切削量量大,根據(jù)切削力與切削量關(guān)系經(jīng)驗公式:FZ=150apf0.75,可知在切削深度一定時,切削量f越大,主切削力越大。因此研究電機機座加工粗車加工階段的切削力即可。電機機座粗加工階段加工參數(shù)如表1所示。
表1 加工參數(shù)Tab.1 Machining parameter
電機機座隨卡盤旋轉(zhuǎn)線速度為v=2πnr=115.6(m/min)。
分析應(yīng)用數(shù)控立式車床加工電機機座夾緊力有如下關(guān)系:
F主切削力=FZ,F(xiàn)軸向切削力=Fx,F(xiàn)徑向切削力=Fy
依據(jù)計算切削力經(jīng)驗公式,可估算出數(shù)控立式車床加工電機機座主切削力大小:
通過查詢金屬切削手冊相關(guān)參數(shù)及修正系數(shù)[7-8],可算得主切削力Fz=1 260 N。
由于主切削力、徑向切削力、軸向切削力三者存在比例關(guān)系:Fz∶Fx∶Fy=1∶0.5∶0.6
可計算得Fy=756 N。
通過測量和查表可知:電機機座體積V=1.32×107mm3,其密度為ρ=7.4×10-9ton/mm3。
可計算出電機機座質(zhì)量和重力:m=ρV=97.68 Kg,G=mg=948.64 N。
取電機機座鑄件的摩擦系數(shù)μ=0.26(μ=0.2~0.3)。
代入尺寸參數(shù):電機機座的內(nèi)止口半徑為r=140 mm,電機機座的底邊摩擦力作用點距其圓心的距離為156 mm。
通過電機機座摩擦力與夾緊力關(guān)系式,計算夾緊力:W=Ff/μ=(FZ×r/8R+Fy/8)/μ=907.12 N。
代入安全系數(shù)K=2.8(電機機座粗車階段,安全系數(shù)取值區(qū)間為K=2.5~2.8),最終可計算出粗車加工階段所需實際夾緊力:W實=K·W=2 539.94 N。
進(jìn)行運動仿真前,必須弄清各運動桿件之間的運動關(guān)系,否則無法進(jìn)行運動仿真[9-10]。因此,對應(yīng)用專用工藝裝備加工電機機座過程進(jìn)行運動分析,分為定心定位機構(gòu)上升、應(yīng)用偏心部件定心定位、利用螺旋壓板機構(gòu)夾緊、偏心部件恢復(fù)初始位置、定心定位機構(gòu)恢復(fù)初始位置這5個階段。電機機座加工專用工藝裝備UG運動仿真分以下步驟:
一是導(dǎo)入運動仿真模塊。在UGNX8.0的建模板塊進(jìn)行電機機座加工專用工藝裝備的各部件建模,再通過模擬裝配板塊對已建的模型進(jìn)行裝配,待模擬裝配完成后將電機機座加工專用工藝裝備導(dǎo)入運動仿真模塊,如圖4所示。
圖4 導(dǎo)入運動仿真模塊Fig.4 Import of the motion simulation module
二是建立剛性連桿。對電機機座加工專用工藝裝備的運動部件建立剛性連桿,注意各個剛性連桿的內(nèi)部零件無相對運動,如圖5所示。
圖5 建立剛性桿件Fig.5 Establishment of rigid rod
三是定義運動副。通過定義運動函數(shù)施加運動驅(qū)動,實現(xiàn)運動仿真過程,如圖6所示。四是解算運動方案。運用后處理模塊解算運動方案對運動仿真過程進(jìn)行解算分析,如圖7所示。
圖6 定義運動副Fig.6 Definition of kinematic pair
圖7 解算運動方案Fig.7 Scheme of calculation motion
在對電機機座加工過程充分研究的基礎(chǔ)上,為了達(dá)到改善電機機座加工同軸度誤差的目的,設(shè)計了電機機座加工專用工藝裝備,對定位誤差及夾緊力進(jìn)行分析計算,運用UG軟件,對電機機座加工過程進(jìn)行運動仿真,實現(xiàn)了改善電機機座加工質(zhì)量的目標(biāo)。