盤式電機背鐵零件加工工藝設計*

石煜琳，楊 勇，郭捷立，翟方彤，溫樹彬

(1. 廣東技術師范大學 機電學院，廣東 廣州 510450； 2. 廣東省機械技師學院，廣東 廣州 510450)

0 引 言

盤式電機外形扁平，在轉子軸上定子、轉子相對運動，產生驅動轉矩。 與傳統電機相比，盤式電機鐵芯利用率高、轉矩密度高、軸向尺寸短[1]。 高性能永磁材料和模擬數字專用集成電路等的發展促進了盤式電機的不斷完善和進步[2]。 盤式電機中定子是線圈，轉子是永磁體或粘有永磁體的圓盤[3]。 轉子厚度越薄、體積越小，電機的質量就會越小，越有利于提高電機的功率密度和轉矩密度。 背鐵是用于固定轉子磁鋼的部分，是電機磁路重要的組成部分之一。 背鐵渦流損耗的大小直接影響了電機的性能。 筆者重點通過對盤式電機背鐵的機械加工工藝設計，實現對背鐵結構的優化，解決現有技術問題，滿足市場需求。

1 零件分析

1.1 零件結構特點

盤式電機定子位于中間，是產生旋轉磁場的部分。 定子兩邊是永磁體圓盤轉子，通過被旋轉磁場中的磁力線切割而產生電流[4]。 盤式電機背鐵外形也是圓盤狀，位于轉子的外側。 在磁場的作用下，背鐵容易產生渦流，溫度上升，這不僅降低盤式電機的效率，而且減少盤式電機的使用壽命。 因此，背鐵在盤式電機中起著關鍵作用，影響著盤式電機的發展。 盤式電機背鐵厚度薄，可達到減小體積的目的；中間的通孔為轉軸孔，便于整體回轉運動；環形凹槽的設計可以有效切斷渦流；凸臺的設計限制磁鋼周向運動，有利于磁鋼位置的穩固[5]；八個M3 的孔為定位孔；背鐵表面鍍鎳，以提高其抗腐蝕性、抗磨損性，起到保護背鐵、延長使用壽命的作用[6]。

1.2 零件圖樣分析

在盤式電機背鐵機械加工工藝設計前，需要對其零件圖進行分析，以達到設計尺寸和精度的要求。 由圖1 盤式電機背鐵零件圖分析可知，背鐵零件加工比較簡單，技術要求比較低。 可根據其表面粗糙度的不同，選擇多樣化加工方法進行粗加工與精加工。 如圖1 所示，背鐵表面粗糙度數值為Ra＝3.2 μm，Φ34.8±0.025 凸臺、Φ20±0.025 凸臺、Φ14±0.025 內孔的表面粗糙度數值均為Ra＝1.6 μm，零件其它表面粗糙度數值均為Ra＝6.3 μm。 在加工背鐵零件過程中，確定定位基準，零件部分端面要進行倒角。

圖1 盤式電機背鐵零件圖

2 毛坯選擇

2.1 毛坯類型

因為鋼價格低廉且能滿足大部分產品使用需求，所以它在中國是使用最廣泛的金屬材料之一。 不論是在機械工程領域還是在日常生活中，它都是不可缺少的材料。 根據含碳量的大小鋼可分為高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼。 根據國家標準可得，1010 鋼的含碳量小于0.25%，所以屬于低碳鋼，也是一種優質碳素結構鋼。 低碳鋼具有塑性和韌性好的特點，進行切削加工較為容易，具有良好的切削加工性能。 其特點能夠滿足盤式電機背鐵所需性能，因此盤式電機背鐵選用材料為1010 鋼的毛坯。

2.2 毛坯形狀及尺寸

選擇合適的毛坯形狀及尺寸在零件加工中也是極為重要的步驟，若選擇不合適的毛坯形狀或尺寸，可能出現加工余量不足或加工余量太多，從而導致材料浪費等問題出現。 從盤式電機背鐵零件圖可知，零件大體形狀為輪盤形，所以選擇形狀為圓柱的毛坯。最大外圓輪廓尺寸為71 mm，軸向最大尺寸為7.8 mm。 選用的毛坯尺寸需大于零件的最大輪廓尺寸，且為保證其精度，需具有一定的加工余量。 在不影響加工出的零件精度的情況下，以盡可能地節省材料為選取毛坯的原則，最終確定毛坯尺寸為直徑為75 mm，厚度為12 mm。

3 加工工藝路線的確定

3.1 確定定位基準

定位基準選擇的不同也會影響加工質量，為避免因設計基準、測量基準和裝配基準不同而導致的誤差，在盤式電機背鐵零件中選擇Φ18 孔作為設計-裝夾-測量基準。 精加工是為了保證加工精度和表面粗糙度，所以精加工時需使用已加工表面作為基準。粗車和精車內孔時，選擇外圓面為定位基準。

3.2 零件表面加工方法選擇

從零件圖可知盤式電機背鐵零件復雜程度一般，需加工表面較多，有左右兩端面、通孔、錐形槽、凸臺、8 個M3 的螺紋孔。 毛坯材料選用了1010 鋼。 各個需加工的表面尺寸、形狀、加工要求各不相同，查閱機械工藝手冊，選擇使用不同的加工方法。

3.3 零件機械加工工藝路線

盤式電機背鐵材料牌號:1010 鋼，毛坯尺寸:Φ75×12，加工設備型號:大連DT40 車削中心。 為了進行盤式電機背鐵加工，需要設計專有的加工工藝路線。首先，對毛坯的右端面進行粗加工，去除毛坯余量，得到Φ71 mm 外圓，接著粗車、半精車和精車得到103°的錐形槽；其次，轉換為銑刀，車尺寸為Φ18 mm 凹槽，粗車、半精車和精車Φ12.4 mm 通孔和Φ14 mm內孔；第三，轉換工件面，使用夾具固定工件，粗車、半精車和精車得到Φ34.8、Φ24、Φ20 mm 的凸臺；最后，按圖紙要求鉆8 個M3 的孔，并對M3 的孔攻螺紋以及工件部分輪廓進行倒角。 故完成盤式電機背鐵的工藝加工，具體加工工藝路線如表1 所列。

表1 盤式電機背鐵的加工工藝路線

續表1 盤式電機背鐵的加工工藝路線

4 確定零件工序尺寸

盤式電機背鐵有3 個標注公差的尺寸表面，為了達到規定的尺寸公差和一定的表面粗糙度需要在車削中心對其多次加工。 在零件加工過程中，加工余量是指從毛坯表面切除的金屬厚度，可以分為工序余量和加工總余量[7]。 根據盤式電機背鐵零件圖確定毛坯尺寸、加工總余量、工序加工余量，通過正確的相加減運算可計算出每道工序的工序尺寸。 盤式電機背鐵標注公差尺寸的工序雙邊余量、工序尺寸及公差和表面粗糙度的具體數值如表2 所列。

表2 盤式電機背鐵標注公差尺寸的加工余量、工序尺寸及表面粗糙度

在零件圖樣中，盤式電機背鐵的軸向尺寸公差未標注，因此對其的軸向尺寸精度要求較小，部分工序尺寸和公差不需要用到工藝尺寸鏈的計算方法。 在此零件中，加工總余量等于毛坯的長度減去盤式電機背鐵的軸向尺寸，所以加工總余量為:12-7.8＝4.2 mm，余量加工在兩道工序中完成，分別為工序1 使用35°尖刀切除2.7 mm，工序16 使用Φ10 銑刀切除1.5 mm。

加工Φ34.8±0.025 凸臺時，因其尺寸精度和表面粗造度要求高，選用Φ10 銑刀進行粗車、半精車、精車三道工序。 根據盤式電機背鐵零件圖的分析和計算，Φ34.8±0.025 凸臺軸向加工余量為40.2 mm，粗車和半精車分別去除39.2 mm 和0.8 mm 加工余量，最后精車去除0.2 mm 的加工余量。

Φ20±0.025 凸臺的尺寸精度和表面粗造度要求也同樣較高，要完成粗車、半精車、精車三道工序以達到其要求，Φ20±0.025 凸臺的軸向加工余量為4 mm，首先粗車去除3.7 mm 的加工余量，再經過半精車去除0.2 mm 的加工余量，最后精車去除0.1 mm 的加工余量。

5 選擇加工設備與刀具

分析盤式電機背鐵的零件圖可以得出，背鐵為圓周對稱零件并且尺寸不大。 完成零件加工需要三步，分別為車削、銑削和鉆削。 為保證零件加工時的工作效率，要求只使用一臺機床完成加工的同時減少其換刀時間，降低安裝工件的次數，因此盤式電機背鐵使用車銑復合加工中心進行加工制造。

車銑復合加工中心可以實現車削和銑削加工，可以提高盤式電機背鐵零件的加工精度和效率。 由于車銑復合機床的刀架安裝有動力刀座，可以根據需要使刀具旋轉任意角度[8]。 工件通過裝夾，能實現車削、銑削、鉆削和攻絲[9-10]。 根據盤式電機背鐵零件圖和實際情況分析，選用現有的大連DT40 車削中心，能夠滿足盤式電機背鐵零件的加工。

在加工前需要備好加工刀具，并安裝刀具。 在車端面、車外圓和車斜槽時使用35°尖刀，粗車、半精車和精車Φ34.8、Φ24 mm 和Φ20 mm 的凸臺使用Φ10銑刀，粗車、半精車和精車Φ12.4 mm 通孔使用Φ5 mm 的銑刀，粗車、半精車和精車Φ14 mm 內孔使用Φ10 mm 銑刀。

6 零件加工

準備好毛坯和所需的工具和設備，加工人員根據車間要求穿戴整齊進入車間即可開始加工零件，按照上述的工序及工藝方法進行加工，加工出盤式電機背鐵零件，使用量具檢測，公差尺寸在零件圖上所標的范圍內，達到零件圖的尺寸要求和加工精度要求，為合格品零件。 盤式電機背鐵零件實物如圖2所示。

圖2 盤式電機背鐵零件實物圖

7 結 語

針對盤式電機體積小、結構緊湊、軸向尺寸短等特點，為防止盤式電機背鐵在轉子旋轉時脫落，避免背鐵渦流影響電機性能，提出了盤式電機背鐵零件加工設計工藝路線。 先分析盤式電機背鐵零件圖，了解背鐵零件加工要求，確定各工序加工余量，選擇適合的毛坯材料和尺寸，確定背鐵工序尺寸，選擇適合的加工設備和刀具，完成零件加工。 經測量，背鐵的公差尺寸在零件圖上所標的范圍內，是合格零件。 背鐵凹槽可有效防止渦流的產生，從而避免溫度升高。 凸臺有助于磁鋼的穩固。 文中研究設計的盤式電機背鐵零件加工工藝滿足市場對背鐵的結構和功能要求，不僅節省了材料而且還提高了效率，可有效解決現有技術問題，促進盤式電機的發展。