一種電樞加工中的雙工位刻槽機的設計

蔣志剛 閆昊

摘 要：在啟動電機電樞繞組制造過程中，電樞的刻槽是核心環節。本文針對某廠家的現有刻槽設備進行研究，從已知的工作流程開始，通過對傳動機構、刀桿連接機構、進給機構和關鍵部件的選取，設計出一種新型的雙工位刻槽機構。

關鍵詞：電樞；刻槽；雙工位；改進

某廠家目前的電樞加工生產線上有多個耗時費力的流程環節，其中效率最低且要求精度最高的環節就是電樞的刻槽。該廠家現有的機加工設備中，刻槽需要對云母片材料進行精準的下刻去除，精度不足造成的刻偏或未刻除干凈，都會引起使用電樞的啟動機性能下降。經過分析研究，該廠家現有設備的主要缺點如下：

1）加工效率不高。換向器刻槽的加工時間主要取決于其本身的槽數，槽數越多，耗費的時間也就越長。

2）設備使用率低。在換向器刻槽過程中，高速銑刀回退過程中造成了設備的空運行，設備生產加工時間僅占整體生產時間的50%左右。

3）生產穩定性差。使用工人進行上下料，刻槽機的加工效率主要依賴于人工的工作強度。

4）加工屑的收集性低。加工的不可控因素較大，吸屑機構并不能進行完全的吸屑，加工時間久了，刻槽機面上仍布滿了加工屑。

針對這幾項缺點，改進將從縮減工時、改進加工方式、自動化上下料這三方面進行。

1 關鍵結構的設計

影響刻槽機加工效率與質量的主要因素包括下刻刀的進給方式、刀桿軸的回轉精度和加工屑的處理方式，主要特點表現為：

換向器云母槽的槽數較多，下刻刀的進給方式主要影響刻槽加工時間。

刀桿軸的回轉精度和加工屑的收集處理對換向器加工的精度和質量起著重要作用。

故對此三個因素的結構方式進行設計計算分析，確保工作的可靠性。

1.1 下刻結構的設計

常用刻槽機下刻結構包括電機的傳動機構與下刻刀片的回轉機構。傳統的刻槽機用下刻結構包括電動機、刀桿和下刻刀片，其連接機構表現為刀桿主軸與電機軸直連，下刻刀片通過鎖緊螺母鎖緊在刀桿主軸上，工作時啟動電機帶動刀桿主軸旋轉，從而驅動刀桿末端的下刻刀片轉動[1]，實現換向器刻槽加工。

如圖1，該刻槽機用下刻結構使用簡單，布置方便，但也存在著一些缺陷，如刀桿的伸出軸端較長，加工精度受電動機振動的影響較大等。

考慮到現有結構中存在的部分缺陷，影響換向器加工質量，對現有設備進行結構改進。常用的機械傳動方式包括鏈傳動、皮帶傳動和齒輪傳動[2]，齒輪傳動具備特點如下：

1）使用的圓周速度和功率范圍廣。

2）高效率傳遞。

3）傳動比穩定。

4）使用壽命長。

5）工作可靠性較高。

6）要求較高的制造和安裝精度，成本較高。

7）不適宜遠距離兩軸之間的傳動。

考慮齒輪傳遞的如上特點，使用齒輪實現刻槽機構的傳動，如圖2，改進后采用二級圓柱齒輪保證電機軸與刀桿軸之間運動傳遞的平穩。

下刻刀片的回轉運動也是影響換向器加工精度的重要因素之一，通常表現為固定下刻刀片的刀桿與電機軸直連，該連接方式振動較大，換向器加工精度差。如圖3，改進后增加使用刀桿軸，刀桿與刀桿軸之間采用莫氏錐度精確配合，在刀桿尾部使用雙頭螺柱與刀桿軸進行固定連接，一方面保證運動過程中的同軸度，另一方面方便刀桿的拆卸與換裝。對改進后的下刻結構進行裝配如圖4。

1.2 進給機構的設計

換向器刻槽機通常采用直線移動的方式實現銑削刀片的軸向進給，即刻槽基座通過氣缸活塞桿直線驅動，刀桿軸帶動旋轉刀片進行換向器的軸向往復移動，實現銅片間云母層的下刻[3]。一般采用雙作用氣缸從活塞兩側交替供氣，來實現下刻刀的高速、高頻率的進給，如下圖5：

當轉子總成通過定位夾緊機構實現定位后，推進氣缸推進伺服電機實現對下刻刀的送進，直線運動行程為L1，當伺服電機抵達擋鐵2的位置時[4]，送進氣缸收縮活塞桿，拉動伺服電機退回至擋鐵1位置，一次刻槽完成，對該類結構中存在問題分析如下：

1）設備利用率低。云母槽的數目較多，通常情況加工一個換向器的時間至少需要氣缸實現25次的往復運動。在回程運動中，行成刀桿的空轉及分度電機的等待，延長了加工時間。

2）刻槽質量不高。刀桿在進給和回退的過程中，高速回轉的下刻刀片對云母層進行了順刻和逆刻，導致加工表面毛刺較多。

3）可靠性差。固定的機械定位，高頻率的撞擊使用，對氣缸的磨損較大且隨著對擋鐵撞擊次數的增多，擋塊的磨損會造成刻槽精度下降。

4）機構調節復雜。不同型號換向器刻槽長度不同以及換向器的徑向高度不同，需通過調節兩端擋鐵之間的距離L1來滿足所需的軸向刻槽長度，同時調節送進機構整體的水平高度來適應換向器刻槽高度的變化，該機械式調節誤差較大，過程繁瑣。

如圖6，改進后刻槽機的進給機構選用十字滑臺。其運動原理為下刻刀的軸向進給通過橫向絲桿螺母機構來實現，當更換不同尺寸的轉子總成時，下刻刀的徑向調整通過縱向絲桿螺母機構來實現，使用伺服電機控制下的絲桿螺母副替代傳統的機械式調節，效率更高，傳動更加可靠[5]。

如圖7，改進后的刻槽機構裝配圖。新式加工機構的使用，同時代表著刻槽機構工作流程的改變，如下圖8所示，新式刻槽機加工降低的設備的空行程時間，提高加工效率，同時下刻驅動電機在工作過程中的正轉、反轉，保證了刻槽刀銑削方向的一致，避免由于刀具軸向往復運動行成順刻逆刻造成加工表面質量不高的問題，提高加工質量。

2 關鍵部件的選取

2.1 十字滑臺的計算選擇

十字滑臺其主體結構表現為兩個絲桿螺母機構的組合，通過兩個絲桿螺母機構的相對移動，實現承載件的橫向、縱向進給運動。常用絲桿螺母機構的主要零部件包括伺服電機、聯軸器、軸承座、直線導軌、和滾珠絲桿。