直流電動機機座車削工裝設計

王屹峰

安徽皖南電機股份有限公司 安徽宣城 242500

1 序言

隨著科學技術的不斷發展，機械化應用程度越來越高，電動機的應用也越來越廣泛。加上現在對自然環境的保護意識不斷增強，電動機作為一項綠色的動力來源，備受青睞。直流電動機是我們日常應用最廣泛的電動機之一。直流電動機具有良好的起動特性和調速特性；調速范圍廣、平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響小。但是由于直流電動機自身結構的特殊性，導致其機座與普通三相異步電動機的機座有明顯區別，且機座加工的工藝難度較高，特別是機座的止口與鐵芯擋的同心度難以保證。本文主要闡述了通過對直流電動機機座特殊結構及加工工藝的研究，優化改進設計了直流電動機機座的加工工裝夾具，不但提高了機座車削加工效率，同時也保證了機座的同心度，從而提升電動機整機質量。

2 原車削夾具的介紹及存在的工藝問題

直流電動機機座由于結構特殊，它的機座外殼是由磁軛片疊壓焊接而成。直流電動機的機座截面呈正方形，每層由4個形狀相同的磁軛片拼接而成，很多層磁軛片疊壓起來，再通過兩端的鐵端環和四周副板焊接組成（見圖1）。直流電動機機座外殼的作用有兩個：一是直流電動機機座本身也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛；二是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起到整個電動機的支撐和固定作用，同時通過鐵芯兩端的止口與端蓋的配合支撐轉子和保護電動機內部繞組。

圖1 直流電動機機座

原Z4鐵芯臥式車床夾具結構如圖2所示。

圖2 原Z4鐵芯臥式車床夾具結構

在車削加工機座兩端的止口時，先將夾具兩端的壓緊螺母和方形壓板拆下，再將十字心軸通入機座鐵芯內腔，然后分別裝上兩端的方形壓板，最后分別通過兩端螺母緊固壓緊。由于鐵芯內腔與夾具的十字心軸的配合面是由一片片磁軛片疊壓而來，疊壓后鐵芯位置有毛刺、形狀不規則、形成的內腔直徑一致性較差，所以導致工裝定位鐵芯難以通入機座；而且與心軸配合面屬于非加工面，表面非常粗糙且直線度較差，導致無法在工藝要求的配合間隙下來完成車削夾具的安裝。為了完成裝夾，只能增大工裝與鐵芯的配合間隙，一旦增大夾具與鐵芯的配合間隙，當十字心軸通入鐵芯內，由于重力作用，肯定會偏向一邊，裝夾壓緊后車出來的兩端止口同心度較差。通過測量，同心度小的幾十絲，大的超過1mm，它會直接影響整機裝配后定、轉子氣隙的均勻度，甚至導致定轉子抱死，完全不能保證圖樣要求。原臥式車床夾具無論是機座的裝夾還是拆卸都需將兩端螺母完全拆下，卸下壓板，才能完成裝夾和拆卸；操作過程繁瑣，勞動強度大，工作效率低。

3 新型臥式車床夾具的優化改進

為了解決上述問題，我們對直流電動機機座結構圖樣和加工方案進行研究和分析，不斷地驗證、優化改進，最終設計出一套新型的機座臥式車床夾具。新型的臥式車床夾具結構如圖3所示。

圖3 新型的臥式車床夾具結構

新型的臥式車床夾具將其裝夾結構設計成可調裝置，類似于脹胎結構。中間同樣采用一根心軸，在心軸中間位置均布安裝4個固定的副筋，副筋上安裝一根長條的T型塊，再將帶有T型槽的滑塊順著T型塊插入，確保滑塊可以順暢的在副筋上滑動；由于T型塊的作用，滑塊只能在軸向滑動，徑向不會脫落；滑塊的前端安裝卡塊，通過卡塊將壓緊螺母與4個滑塊相連；滑塊的外沿兩側對稱安裝定位塊，使其與滑塊的總厚度略小于鐵芯的主極安裝槽寬度，一般取0.5～1.0mm的配合間隙，定位塊前端設計20mm×15°倒角，即方便夾具的快速裝夾定位，同時定位塊卡在主極安裝槽內又可防止在車削過程中，夾具在鐵芯內圓發生轉動；轉軸的一端車有螺紋，旋緊和松開螺母時，通過卡塊來帶動4個滑塊在軸向左、右滑動，副筋與滑塊的接觸面采用的是帶角度θ的斜面配合；當滑塊左右滑動時，4個滑塊徑向直徑就會隨之縮小和變大，很方便實現拆卸和脹緊機座的功能。

4 設計要點

（1）提高同心度 新型臥式車床夾具為了提高機座止口與鐵芯擋的同心度，以機座的鐵芯擋定位，一次裝夾來完成兩端的止口和止口平面的精車。新結構夾具在裝夾壓緊螺母時，4個滑塊同時向外脹緊，排除了裝夾間隙，這樣加工出來的機座止口同心度就取決于夾具自身的同心度。

為了保證新結構夾具自身的同心度，采用了一種特殊的加工工藝方案，如圖4所示。通過加長螺桿將副筋和滑塊一起裝配到轉軸上，使其與轉軸形成一個整體，再通過裝夾轉軸兩端頂針孔，來車削滑塊的端面和外圓面兩個與機座配合的位置。車削完成后，拆掉加長螺桿，使滑塊可以在副筋上自由滑動，最后安裝端面卡扣和前端的壓緊螺母，新結構的夾具加工完成。

圖4 新結構夾具加工工藝方案

對新結構的夾具裝夾和松卸進行分析，如圖5所示。夾具在原始的松卸狀態，滑塊的外圓到轉軸軸線距離為H；夾具裝夾機座脹緊狀態后，滑塊的外圓到轉軸軸線距離為H1。我們對圖中脹緊狀態運動情況進行分析計算：

圖5 夾具松卸狀態和脹緊狀態

設滑塊軸向滑動距離為△L、滑塊徑向外圓距離為△h，要保證脹緊后滑塊外圓與轉軸同心，就必須保證4個方向H1相等。

因H1＝H +△h、△h＝sinθ·△L，故H1＝H +sinθ·△L。

由上式可以看出，影響H1的因素有H、摩擦角θ和軸向移動距離△L。

新結構的臥式車床夾具滑塊外圓已經車削，H值相等。副筋的斜面采用線切割工藝加工，將4塊副筋裝夾在一起，用線切割一次切割成形，確保4塊副筋的摩擦角θ相等。滑塊是由壓緊螺母的平面擠壓，產生軸向運動。在松卸狀態車削夾具滑塊外圓時，4塊滑塊安裝卡扣的端面必須緊貼壓緊螺母的平面，這樣就保證了4個滑塊起始端面在同一平面，脹緊狀態后還是在同一平面，確保4個滑塊軸向移動距離△L相等。

新結構夾具保證了4個方向的H、sinθ和△L的變化都相等，也就保證了脹緊狀態夾具外圓到轉軸軸線距離H1相等，最終為機座車削加工止口與鐵芯擋的同心度提供了有效的保障。

（2）工裝夾具自鎖功能 機座在車削時，旋轉的機座有較大的轉動慣性，由于頻繁的起動和停止，再加上車削時的振動，壓緊螺母會出現松動，所以單純的依靠螺母的持續壓緊來實現脹緊機座，可靠性比較差。車削過程中，機座高速旋轉，一旦出現松動，就有可能發生嚴重的安全事故。為了解決該問題而設計的這個新型夾具，不但能快速脹緊，而且脹緊后能實現自鎖，無論脹緊力多大，都不會出現松動。

滑塊的配合位置局部如圖6所示，上面部分是副筋；中間斜面是配合面；下面部分是滑塊，它可以在副筋斜面上滑動；滑塊的斜面與轉軸的軸線夾角為θ，我們稱之為摩擦角θ。我們在滑塊位置對工裝裝夾后的狀態進行受力分析。

圖6 滑塊的配合位置局部

機座在裝夾脹緊狀態，會對滑塊產生一個反作用合力，如圖6中的脹緊力F，根據力的分解原理，我們將脹緊力F分解成垂直壓力FN和滑動力F1，滑動力F1會讓滑塊產生一個沿著副筋斜面滑動的趨勢；同時垂直壓力FN將滑塊壓緊在副筋上，會產生一個反向的靜摩擦力Ff，來阻止滑塊滑動。

由圖6可知，滑動力F1＝Fsinθ、垂直壓力FN＝Fcosθ、靜摩擦力Ff＝FNf，其中f為靜摩擦系數。為了保證夾具脹緊后能夠自鎖，滑塊不能產生滑動，就必須保證：靜摩擦力Ff＞滑動力F1，即FNf＞Fsinθ，推導得出f＞tanθ。

由此可以得出結論：當靜摩擦系數f大于摩擦角θ的正切值時，無論脹緊力多大，滑塊都不會滑動，就能實現自鎖功能。

滑塊和副筋都采用Q235鋼板，它們配合斜面加工的表面粗糙度值Ra在12.5μm左右，滑塊與副筋之間的摩擦系數f大約在0.10～0.15。我們在設計這個斜面的時候，摩擦角θ的正切值必須小于摩擦系數f（tanθ＜0.1），為了保證自鎖的可靠性，設計摩擦角度需要留一定的余量，所以在設計θ角度時一般取2.5°～ 4°。這樣可以確保摩擦角的正切值小于摩擦系數，無論作用于滑塊上的脹緊力F怎樣大，總有一個反向靜摩擦力Ff與之平衡，滑塊保持靜止。當機座加工完成后，松開壓緊螺母，螺母通過卡扣帶動滑塊作軸向運動，相當于在滑塊上施加了一個軸向拉力F，如圖7所示。軸向拉力可以分解成F1和F2，旋轉松開螺母，很容易獲得一個大于靜摩擦力Ff的分解力F1，滑塊就會軸向移動，實現快速松卸的目的。

圖7 滑塊受力分析

5 新老結構夾具效果對比

在車間隨意抽取兩個機座號Z4-160和Z4-200，每種規格各抽樣10臺，分別用新、老結構的臥式車床夾具進行加工，對裝夾時間和止口同心度檢驗記錄，統計結果見表1。

表1 工藝驗證對比數據統計

通過試驗結果的數據，可以發現：①不論是加工Z4-160還是Z4-200的機座，新結構夾具的裝夾時間比原結構要節約很多，工作效率提高非常明顯。②新結構夾具加工的機座止口與鐵芯擋的同心度有明顯提高，跳動基本可以控制在0.2mm以內，滿足圖樣要求，也為整機的同心度提供了有效保障。

6 結束語

新結構的機座臥式車床工裝，利用脹緊結構，排除裝夾間隙，大大提高了方形工件兩端止口與中心的同軸度，同時它裝夾簡單方便，裝夾可靠性高，降低了員工的勞動強度，提升了工作效率；而且該工裝夾具可以一機多用，材料利用率高，也降低了模具的成本。