改進校動平衡用工藝軸

吳安利，邢變麗

(1.陜西航空電氣有限責任公司，陜西 興平 713107；2.陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065)

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改進校動平衡用工藝軸

吳安利1，邢變麗2

(1.陜西航空電氣有限責任公司，陜西 興平 713107；2.陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065)

摘要：為了解決電動機轉子動平衡校正結果不穩定、校正結果無法準確重現的問題，對校正過程中支承和傳遞轉矩給轉子的工藝軸結構進行了優化，將工藝軸與轉子的定位面由圓柱面改為錐面，電動機轉子與工藝軸由小間隙配合改為錐度配合，不僅消除了校正機構中由于工藝軸與轉子的間隙而產生的不平衡量，還消除了校正過程中由于轉子和工藝軸同心度誤差而產生的動平衡波動。在穩定校正結果的同時，提升了校正過程的工藝性和可操作性，解決了電動機制造過程中的一個瓶頸難題。

關鍵詞：動平衡校正；工藝軸；允許不平衡量

電動機的轉子由于結構不對稱(如軸上鍵槽、沖片記號槽等)、質量不均勻和加工制造水平所限[1]等原因，造成了轉子機械上的不平衡。不平衡帶來的后果是增加了附加載荷，這是電動機最常見的損壞故障之一。

對轉子進行平衡校正是降低轉子不平衡的有效方法。轉子的平衡校正分為動平衡校正和靜平衡校正。陜西航空電氣有限責任公司的轉子都屬于剛性轉子，一般都是進行動平衡校正。動平衡校正在動平衡機上進行，將轉子放在可自由擺動的支架上，由驅動系統拖動到一定轉速，轉子不平衡量產生的離心力引起支架振動，通過傳感器將機械振動變換為電信號，經測量系統處理后，指示儀表指示出轉子不平衡量的大小和位置[2]；但對還未裝配軸的轉子來說，還需要通過制作工藝軸來為轉子放置在動平衡機支架上提供條件，轉子和工藝軸裝配在一起進行動平衡校正。工藝軸結構的合理與否，將直接影響動平衡校正的質量。

1問題的提出

本公司某永磁直流電動機的轉子結構如圖1所示，其采用徑向磁鐵結構。設計要求轉子在裝配完磁鋼、外套后，應進行動平衡校正，即將轉子的不平衡量校正在允許的范圍內。對于還未裝配軸的轉子，要在現有的動平衡機上進行動平衡校正，就需要應用一根工藝軸。在最初研制階段，設計的工藝軸如圖2所示，轉子的裝配圖如圖3所示。

圖1　轉子結構圖　　　　圖2　工藝軸結構圖

圖3　轉子的裝配圖

工藝軸結構按照本公司動平衡校正傳統的工藝軸結構設計。轉子和工藝軸通過螺母固緊，為了防止螺母擰緊而損傷轉子，還增加了一個墊片。在實際操作中，首先要將工藝軸單獨校正。因考慮到墊片屬于薄片狀環形零件，自身的不平衡可以忽略不計，且單獨校正工藝軸時，墊片無法固定；所以，只將螺母擰緊在工藝軸上進行校正。工藝軸校正后，將第1臺轉子和工藝軸裝配在一起，裝上墊片，擰緊螺母，以進行第1臺轉子的動平衡校正。第1臺轉子校正后，拆下工藝軸，再和第2臺轉子裝配在一起，進行第2臺轉子的動平衡校正。依此類推，直至將所有轉子都校正完畢。

本公司規定，每批轉子在校正動平衡后，檢驗人員都要抽檢10%的動平衡校正質量，當加工數量<20臺時，抽檢數量≥2臺。若有1臺轉子不合格，則本批轉子都要重新校正動平衡。圖1中的轉子屬于研制階段的產品，首次只需加工2臺。平衡工將2臺轉子校正合格后，檢驗員檢驗時卻出現了2臺轉子的不平衡量都超出范圍的情況；因此，需要解決2臺轉子動平衡校正質量送檢不合格的問題。

2解決方案

2.1問題分析

2臺轉子送檢都不合格，按規定應將2臺轉子重新校正動平衡。當平衡工對第1臺轉子重新校正時，發現動平衡機顯示的不平衡量和第1次記錄的不平衡量相差很大。拆下工藝軸，并進行重新裝配，顯示的不平衡量和前2次顯示的不平衡量還不相同，也是差異很大。

經分析認為，工藝軸和轉子內孔的配合是間隙配合，在裝配后轉子和工藝軸存在偏心。即使對同一臺轉子，每裝一次工藝軸，偏心的程度都不一樣，不同程度的偏心顯示的不平衡量就不同。對同一個產品的轉子，校正動平衡用的工藝軸只有一個，且工藝軸配合處的尺寸是按內孔尺寸的最下限再雙減公差給定的，轉子的內孔尺寸越靠近上限，偏心產生的不平衡量就越大。而且，螺母采用的是標準六角頭螺母，雖和工藝軸一起校正過動平衡，但在裝配了轉子、墊片后，一方面螺母在工藝軸上的軸向位置發生了改變，另一方面是因為軸向位置發生了改變，而導致了螺母六角頭在圓周位置上發生了改變。再加上每次裝配，螺母擰緊的力矩有差異，也使螺母在軸向位置以及六角頭在圓周上的位置有差異。這幾種差異和改變都會使螺母自身產生不平衡，從而造成了多次測得的不平衡量有差異。

綜上所述，一種情況是轉子和工藝軸為間隙配合而導致的不同心產生的不平衡，另一種情況是螺母擰緊后因軸向位置和六角頭在圓周位置上的差異產生的不平衡。這2種不平衡的產生，造成了即使是同一臺轉子重新裝配工藝軸，測試的不平衡量差異也很大。

為了解決同一臺轉子重新裝配工藝軸后，測試的不平衡量有差異的問題，可以采取的唯一方案就是改進工藝軸的結構。

2.2理論分析

改進后的工藝軸應解決2個問題：1)工藝軸和轉子裝配時的偏心問題；2)消除或減小螺母自身的不平衡存在。

首先，應解決工藝軸和轉子裝配時的偏心問題。雖然間隙配合造成了偏心問題，但也不能采用過盈配合。因為過盈配合存在一個問題即拆卸困難，所以將過盈配合排除在外。另外，過渡配合也不行，它同時具有間隙配合和過盈配合的缺點，故需要考慮其他方法以滿足產品的需要。

縱觀本公司的產品，對一些外圓需要車削的定子組件，通常是在定子鐵心內圓穿1根工藝軸定位，然后再通過兩頂尖孔將工藝軸固定在車床上，帶動定子組件旋轉來達到車削外圓的目的。車削定子組件外圓所用的工藝軸是帶錐度的，能夠通過錐面配合帶動定子組件旋轉。所以，按照車削定子外圓所用的工藝軸結構，想到校正動平衡所用的工藝軸，也可以設計為錐度軸。錐度軸除了能夠傳遞轉矩外，還能更好地保證同心，可以使同一臺轉子多次裝配，在錐度軸上的位置也基本一致，即在動平衡機上顯示的不平衡量也基本一致。

另外，錐度軸是靠錐面產生摩擦力來傳遞轉矩的，不需要再通過墊片以及螺母來固定轉子，所以錐度軸的結構在解決了偏心問題的同時，也解決了螺母自身的不平衡對轉子校正的影響。

動平衡校正所用的工藝軸和車削外圓所用的工藝軸有一個區別，即為了能夠適應批量生產，要求工藝軸除了能夠傳遞轉矩外，還應保證每個轉子裝在工藝軸錐面上的軸向位置要基本一致。本公司使用的動平衡機屬于臥式硬支承平衡機，轉子在支承平衡機上的裝夾示意圖如圖4所示。在圖4中，△表示支承支架；a表示校正面到支承支架間的距離；b表示兩校正面間的距離；c表示另一個校正面到支承支架間的距離。首先需要根據轉子具體的支承方式量取a、b和c尺寸(見圖4)，然后調整動平衡機的對應按鈕設定a、b和c尺寸。對同一個產品的轉子，在動平衡機上設定的a、b和c尺寸是不變的。但實際因轉子的內孔尺寸有公差，不同內孔尺寸的轉子裝配在工藝軸錐面上的軸向尺寸有差異，錐度越小差異就越大。如果本批只研制生產2臺轉子，那就應先將第1臺轉子和工藝軸進行裝配，架在動平衡機上后，量取a、b和c尺寸，然后在動平衡機上設定a、b和c尺寸，進行動平衡校正。校正第2臺轉子時，再量取第2臺轉子的a、b和c尺寸，然后再在動平衡機上重新設定a、b和c尺寸。所以，加工多少臺轉子，就需要重新設定多少次a、b和c尺寸。并不適合批量生產，只適合個別臺次的研制生產。

圖4　轉子在支承平衡機上的裝夾示意圖

圖1中的轉子正處于研制階段，首次只加工2臺，所以使用錐度配合的工藝軸校正動平衡是可行的。

2.3工藝軸設計

一般情況下，按定位精度要求的不同，小錐度心軸的錐度K在1∶5 000～1∶3 000內選取。因考慮到在動平衡校正的過程中，驅動皮帶對轉子的拉力是垂直向下的，這也為防止轉子甩出增加了一層保障。另外，校正動平衡用的工藝軸因要保證自身的不平衡量處于一定的范圍內，軸長不宜過長，所以錐度K按1∶3 000選取。

按錐度計算公式：

計算出錐面部分的軸長為69 mm。考慮到為了保證小端能夠順利裝入，在小端應增加引導軸長，且為了保證轉子裝入后，小端能夠將支承用的軸頸完全露出。綜合這2個因素，則按轉子的長度將錐體長度再增加50 mm。而且，動平衡校正的工藝軸需要兩端各留出支承用的約15 mm的軸長，此兩端軸為圓柱軸，不帶錐度。故錐體的總長度應為69+50=119 (mm)，再加上兩端各留15 mm的支承軸長，那么，改進后的工藝軸總長應為119+15+15=149 (mm)。

設計出的錐度軸結構圖如圖5所示，和轉子的裝配圖如圖6所示。

圖5　錐度軸結構圖

圖6　錐度軸和轉子的裝配圖

3產品驗證及結論

3.1產品驗證

1)改進后的工藝軸加工成實物后，在動平衡機上測試不平衡量，自身的不平衡量已在允許的范圍內。所以，改進后的工藝軸省去了單獨進行動平衡校正的這一內容，簡化了流程。

2)改進后的工藝軸和同一臺轉子多次裝配，測試的不平衡量都在允許的范圍內，且裝配省去了加墊片、擰緊螺母的步驟，降低了勞動強度。

3)2臺轉子用改進后的工藝軸重新進行動平衡校正，檢驗人員檢驗動平衡校正質量，2臺轉子的不平衡量都在允許的范圍內。

3.2結論

2臺轉子用改進后的工藝軸進行動平衡校正，檢驗員抽檢結果從原來的全部不合格到現在的100%合格，說明改進后的工藝軸是合理的，不僅提高了送檢合格率，提高了校正質量，而且簡化了流程，降低了勞動強度。

4結語

通過上述分析，可以得出如下結論。

1)對未裝配軸的轉子來說，動平衡校正不管使用結構多么合理的工藝軸，它都和裝配自身的“真軸”不一樣。所以，對電動機設計而言，應盡可能地讓轉子裝配了自身的“真軸”后，再進行動平衡校正。

2)本文所改進的工藝軸結構只適應于產品的個別臺次的研制工作，不適用于批量生產，所以，在今后的工作中，需要繼續摸索研究，尋找既適合批量生產，又能提高動平衡校正質量的方法。

3)作為電動機制造工藝員，應在生產實踐中不斷地積累經驗，并能夠將經驗靈活地應用在解決問題之中。同時，在加工新產品時，多借鑒結構、功能類似的老產品，會應用老辦法解決新問題。

參考文獻

[1] 臧孝華，王全武. 振動測試技術在飛輪動平衡調整中的應用[J]. 新技術新工藝, 2013(1)：51-53.

[2] 電機制造工藝手冊總編委會. 電機制造工藝手冊[M]. 北京：航空工業出版社, 1994.

責任編輯鄭練

The Improvement the Correction of Dynamic Balance Shaft with Process

WU Anli1, XING Bianli2

(1.Shaanxi Aero Electric Co., Ltd., Xingping 713107, China; 2.Shaanxi Huajing Micro-electronic Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

Abstract：In order to solve the problem of rotor dynamic balancing correction result, we optimize the structure of the rotor with the support and delivery of the torque, change positioning shaft and rotor surface by the cylindrical surface into cone, the motor rotor and technological shaft is changed from the small gap into the taper. It not only eliminates the imbalance of the gap between the correct mechanism and the rotor, but also eliminates the fluctuation of the dynamic balance cause by the deviation of the rotor and the process axis. At the same time, the process and the operation of the calibration process has been improved, and a bottleneck problem in the process of the motor is solved.

Key words:dynamic balancing correction, technology of shaft, allow the unbalance

收稿日期：2015-07-03

作者簡介：吳安利(1975-)，女，工程師，主要從事電動機、電器制造等方面的研究。

中圖分類號：TG 174

文獻標志碼:A