電動機定子止口雙擴張夾筒式車夾具的設計

黃曉華

(蘇州工業職業技術學院精密制造工程系，江蘇蘇州 215104)

永磁低速同步電機是一種無減速齒輪裝置、由電機直接得到低轉速的新型同步電機。該電動機定、轉子間間隙要求高，需控制在0.05 mm 內，為此在加工時必須保證其核心部件——帶繞組定子兩端止口精車時的同軸度。傳統的小錐度芯棒車夾具脫模困難、報廢率高。為此研發了一種集定位、夾緊于一體的雙擴張夾筒式車夾具，實現變軸向拉力為徑向擴張力，從而極大地提高了生產效率。

1 永磁低速同步電動機及定子部件的結構分析

永磁低速同步電動機無需齒輪減速裝置便可獲得低轉速 (60 r/min)、高扭矩(7 500 mN·m)，具有較好的自鎖能力，且能瞬間啟動、倒轉和停機。它雖屬步進電機系列，但無需特殊電源，僅以220 V 普通交流電源供電即可，因而在礦山、化工、石油管道和火力發電行業的閥門控制中具有不可替代的作用。圖1 為130 機座號的永磁低速同步電動機。

圖1 永磁低速同步電動機照片

1.1 永磁低速同步電動機結構分析

圖2 為永磁低速同步電動機結構圖。

圖2 永磁低速同步電動機結構示意圖

該電動機之所以能獲得如此大的扭矩，除轉子采用了高磁能積的釹鐵硼(稀土)永磁體外，機械方面的根本保證在于定、轉子間的間隙必須控制在0.05 mm 以內，這不僅僅是裝配工藝的保證，更重要的在于如何保證定子內孔與兩端止口的同軸度φ0.02 mm (如圖3 所示)，這是因為轉子支承于定子兩端的軸承孔內，而軸承又安裝于端蓋的軸承室內，前、后端蓋最終裝入定子的兩側止口后再用螺釘鎖緊。由此可知，若定子兩端止口與其內孔不同軸，將直接導致定、轉子間隙不均勻，甚至運轉時發生相擦。

1.2 定子部件結構工藝分析

圖3 為永磁低速同步電動機的核心部件——定子。

圖3 定子裝配結構示意圖

其中的定子鐵芯是由經沖裁所得的定子沖片疊壓而成，嵌入定子繞組后作絕緣處理(浸絕緣漆);將絕緣處理后的帶繞組定子鐵芯置于內外圓磨床上磨內外圓至最終尺寸;以熱套法將帶繞組定子鐵芯3 過盈配合于機殼2 內(此時機殼2 的兩端止口已粗車至φ122.5 mm，即留0.5 mm 的精車余量)。

2 定子止口的加工

顯然，在裝入定子鐵芯后再完成機殼止口的精車(0.5 mm 車削余量)，可消除因裝配而產生的誤差。由圖3 可知，定子的兩端止口φ1220-0.021mm 深5 mm，若用三爪卡盤裝夾，則勢必要掉頭車第二個止口，如此會產生較大的裝夾誤差，尤其在批量生產時是無法保證φ0.02 mm 的同軸度的。這就需要設計出一專用止口車夾具。

2.1 小錐度芯棒車夾具

如圖4 所示，它可以利用外圓左偏刀和右偏刀實現一次裝夾完成兩個止口的精車。由于該芯棒的錐度僅為1∶1 000，因而裝入定子后既可保證定子的平直度，又具備較高的自鎖性，以確保車削時芯棒和定子之間無相對滑動。

圖4 小錐度芯棒車夾具

2.2 工藝特點

為減輕該夾具的重力，將錐度芯棒的內部鉆空;為防止車削過程中錐度芯棒中心孔與頂尖發生相對滑動，特增加帶轉軸3，以便借助卡爪可靠地帶動錐度芯棒轉動;為克服機床主軸的跳動誤差，左側頂尖采用現車工藝，即用經調質的45 鋼棒料，在上芯棒車止口前先車出左側頂尖的118°錐度，如圖4所示。

2.3 缺點

雖經小錐度芯棒車夾具車削的定子鐵芯的尺寸精度完全符合圖紙要求，但由于芯棒錐面與定子鐵芯內孔的強大自鎖力，以致于車削后取件較為困難，必須以芯棒的小端數次撞擊事先準備好的木墩，以便芯棒與定子相脫離。這樣操作的后果極大增加了操作者的勞動強度，會出現更為嚴重的問題是，由于被車定子已嵌入線圈繞組，在撞擊脫模的過程中時常會造成繞組斷線，從而導致整個定子報廢。

3 雙擴張夾筒式車夾具原理

雙擴張夾筒式車夾具可較圓滿地解決以上所述小錐度芯棒車夾具的缺點。該夾具使用與一般夾具一樣，卸下卡盤，換裝上該夾具，百分表校調后先鎖緊夾具，再以螺母16 將拉桿3 鎖緊在氣缸活塞15 的左端，如圖5 所示。需指出的是該氣缸為廠家自制，活塞的軸向移動量僅需控制在3～4 mm 即可。

圖5 雙擴張夾筒式車夾具及安裝示意圖

3.1 工作原理

(1)被車件的定位與夾緊。將所要車削的定子裝配5 的內孔套入彈性雙擴張夾筒4 (如圖6 所示)的外圓周面(為間隙配合)直至限位臺階;按下氣缸控制按鈕，使氣缸體14 右側腔體進氣，活塞15 左移，由此帶動氣缸拉桿3 及與其剛性連接的活動錐度芯軸8 (如圖7 所示)左移。活動錐度芯軸8 的左移會產生兩個效果:①橡皮圈7 軸向受壓后借助φ42 臺階推動彈性雙擴張夾筒4 左移，受固定錐套2 (如圖8 所示)的作用，雙擴張夾筒4 左端的4 瓣開口同時擴張，從而將定子裝配5 的左半側牢牢鎖住;②與此同時，活動錐度芯軸8 的錐面迫使雙擴張夾筒4 右端的4 瓣開口同時擴張，從而將定子裝配5 的右半側亦牢牢鎖住。

圖6 彈性雙擴張夾筒

圖7 活動錐度芯軸

圖8 固定錐套

(2)支承與精車

車削前應以尾座活動頂尖頂緊活動錐度芯軸8 的中心孔，以防因處于懸臂梁狀態的工件在受到切削力時可能產生偏移而影響同軸度。刀架上同時安裝左偏刀和右偏刀，這樣只需一次裝夾即可完成兩端止口的車削，若是安排在數控車床上車削，質量和效率將會更高，如圖5 所示。

(3)脫模取件

再次按下氣缸控制按鈕，使氣缸體14 左側腔體進氣，活塞15 右移，由此帶動氣缸拉桿3 及與其剛性連接的活動錐度芯軸8 右移，復位橡皮圈6 在回復過程中亦推動彈性雙擴張夾筒4 右移，至此，彈性雙擴張夾筒4 的兩側錐面與相配固定錐套2 徹底分離，被車件內孔的夾緊力隨之消失，并恢復至與彈性雙擴張夾筒4 原先的間隙配合狀態，向右退出定子，由此完成一次車削過程。

3.2 結構特點

(1)該夾具采用氣動力而非傳統的手動螺旋鎖緊，不僅可通過調整氣壓來獲得所需的夾緊力，還可防止因螺旋夾緊力過小而出現車削過程中被車工件打滑或螺旋夾緊力過大導致完成車削后脫模困難。值得注意的是裝夾前，氣缸拉桿必須處于松弛狀態。

(2)彈性雙擴張夾筒(圖6 所示)集定位和夾緊于一身，是整個夾具的核心零件，采用合金彈簧鋼60CrMnMoA，精磨內外圓前淬火至HRC 50～55，以便獲得回復剛性;精磨內外圓后兩端以線切割分別各割出等分的4 條73 mm ×1 mm 的縫隙，以便在夾筒的全長度上均能獲得良好的擴張和回復彈性。

(3)活動錐度芯軸(圖7)和固定錐套(圖8)在φ40 mm 外圓面處采用H7/g6 的間隙配合，以保證受到尾座頂尖支承時，夾具的中心線不會偏斜。實踐表明:活動錐度芯軸在裝配中，其內外錐采用10°配合較有利于獲得夾緊和松弛的良好效果。

4 結束語

雙擴張夾筒式車夾具與小錐度芯棒車夾具相比，具有操作方便、報廢率明顯下降的優點，且夾具使用壽命較長，尤其是將氣缸作為車夾具鎖緊的動力源，從而極大提高了生產效率，是套類零件切削加工所用夾具結構的理想選擇。

［1］趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊［M］.上海:上海科學技術出版社，1983.

［2］非標準工模設計修訂組.非標準工模設計［M］.上海:上海科學技術出版社，1983.

［3］鄭修本.機械制造工藝學［M］.北京:機械工業出版社，2005.