一種電樞加工中的雙工位刻槽機(jī)的設(shè)計(jì)

蔣志剛 閆昊

摘 要：在啟動(dòng)電機(jī)電樞繞組制造過程中，電樞的刻槽是核心環(huán)節(jié)。本文針對(duì)某廠家的現(xiàn)有刻槽設(shè)備進(jìn)行研究，從已知的工作流程開始，通過對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀桿連接機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵部件的選取，設(shè)計(jì)出一種新型的雙工位刻槽機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電樞；刻槽；雙工位；改進(jìn)

某廠家目前的電樞加工生產(chǎn)線上有多個(gè)耗時(shí)費(fèi)力的流程環(huán)節(jié)，其中效率最低且要求精度最高的環(huán)節(jié)就是電樞的刻槽。該廠家現(xiàn)有的機(jī)加工設(shè)備中，刻槽需要對(duì)云母片材料進(jìn)行精準(zhǔn)的下刻去除，精度不足造成的刻偏或未刻除干凈，都會(huì)引起使用電樞的啟動(dòng)機(jī)性能下降。經(jīng)過分析研究，該廠家現(xiàn)有設(shè)備的主要缺點(diǎn)如下：

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

2）設(shè)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(shè)備的空運(yùn)行，設(shè)備生產(chǎn)加工時(shí)間僅占整體生產(chǎn)時(shí)間的50%左右。

3）生產(chǎn)穩(wěn)定性差。使用工人進(jìn)行上下料，刻槽機(jī)的加工效率主要依賴于人工的工作強(qiáng)度。

4）加工屑的收集性低。加工的不可控因素較大，吸屑機(jī)構(gòu)并不能進(jìn)行完全的吸屑，加工時(shí)間久了，刻槽機(jī)面上仍布滿了加工屑。

針對(duì)這幾項(xiàng)缺點(diǎn)，改進(jìn)將從縮減工時(shí)、改進(jìn)加工方式、自動(dòng)化上下料這三方面進(jìn)行。

1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

影響刻槽機(jī)加工效率與質(zhì)量的主要因素包括下刻刀的進(jìn)給方式、刀桿軸的回轉(zhuǎn)精度和加工屑的處理方式，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：

換向器云母槽的槽數(shù)較多，下刻刀的進(jìn)給方式主要影響刻槽加工時(shí)間。

刀桿軸的回轉(zhuǎn)精度和加工屑的收集處理對(duì)換向器加工的精度和質(zhì)量起著重要作用。

故對(duì)此三個(gè)因素的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析，確保工作的可靠性。

1.1 下刻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

常用刻槽機(jī)下刻結(jié)構(gòu)包括電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與下刻刀片的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的刻槽機(jī)用下刻結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、刀桿和下刻刀片，其連接機(jī)構(gòu)表現(xiàn)為刀桿主軸與電機(jī)軸直連，下刻刀片通過鎖緊螺母鎖緊在刀桿主軸上，工作時(shí)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)刀桿主軸旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)刀桿末端的下刻刀片轉(zhuǎn)動(dòng)[1]，實(shí)現(xiàn)換向器刻槽加工。

如圖1，該刻槽機(jī)用下刻結(jié)構(gòu)使用簡(jiǎn)單，布置方便，但也存在著一些缺陷，如刀桿的伸出軸端較長(zhǎng)，加工精度受電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響較大等。

考慮到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中存在的部分缺陷，影響換向器加工質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。常用的機(jī)械傳動(dòng)方式包括鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)[2]，齒輪傳動(dòng)具備特點(diǎn)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(dòng)比穩(wěn)定。

4）使用壽命長(zhǎng)。

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(yuǎn)距離兩軸之間的傳動(dòng)。

考慮齒輪傳遞的如上特點(diǎn)，使用齒輪實(shí)現(xiàn)刻槽機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，如圖2，改進(jìn)后采用二級(jí)圓柱齒輪保證電機(jī)軸與刀桿軸之間運(yùn)動(dòng)傳遞的平穩(wěn)。

下刻刀片的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也是影響換向器加工精度的重要因素之一，通常表現(xiàn)為固定下刻刀片的刀桿與電機(jī)軸直連，該連接方式振動(dòng)較大，換向器加工精度差。如圖3，改進(jìn)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(jìn)行固定連接，一方面保證運(yùn)動(dòng)過程中的同軸度，另一方面方便刀桿的拆卸與換裝。對(duì)改進(jìn)后的下刻結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配如圖4。

1.2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

換向器刻槽機(jī)通常采用直線移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)銑削刀片的軸向進(jìn)給，即刻槽基座通過氣缸活塞桿直線驅(qū)動(dòng)，刀桿軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀片進(jìn)行換向器的軸向往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)銅片間云母層的下刻[3]。一般采用雙作用氣缸從活塞兩側(cè)交替供氣，來實(shí)現(xiàn)下刻刀的高速、高頻率的進(jìn)給，如下圖5：

當(dāng)轉(zhuǎn)子總成通過定位夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位后，推進(jìn)氣缸推進(jìn)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)下刻刀的送進(jìn)，直線運(yùn)動(dòng)行程為L(zhǎng)1，當(dāng)伺服電機(jī)抵達(dá)擋鐵2的位置時(shí)[4]，送進(jìn)氣缸收縮活塞桿，拉動(dòng)伺服電機(jī)退回至擋鐵1位置，一次刻槽完成，對(duì)該類結(jié)構(gòu)中存在問題分析如下：

1）設(shè)備利用率低。云母槽的數(shù)目較多，通常情況加工一個(gè)換向器的時(shí)間至少需要?dú)飧讓?shí)現(xiàn)25次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在回程運(yùn)動(dòng)中，行成刀桿的空轉(zhuǎn)及分度電機(jī)的等待，延長(zhǎng)了加工時(shí)間。

2）刻槽質(zhì)量不高。刀桿在進(jìn)給和回退的過程中，高速回轉(zhuǎn)的下刻刀片對(duì)云母層進(jìn)行了順刻和逆刻，導(dǎo)致加工表面毛刺較多。

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

4）機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)復(fù)雜。不同型號(hào)換向器刻槽長(zhǎng)度不同以及換向器的徑向高度不同，需通過調(diào)節(jié)兩端擋鐵之間的距離L1來滿足所需的軸向刻槽長(zhǎng)度，同時(shí)調(diào)節(jié)送進(jìn)機(jī)構(gòu)整體的水平高度來適應(yīng)換向器刻槽高度的變化，該機(jī)械式調(diào)節(jié)誤差較大，過程繁瑣。

如圖6，改進(jìn)后刻槽機(jī)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)選用十字滑臺(tái)。其運(yùn)動(dòng)原理為下刻刀的軸向進(jìn)給通過橫向絲桿螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)更換不同尺寸的轉(zhuǎn)子總成時(shí)，下刻刀的徑向調(diào)整通過縱向絲桿螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，使用伺服電機(jī)控制下的絲桿螺母副替代傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)，效率更高，傳動(dòng)更加可靠[5]。

如圖7，改進(jìn)后的刻槽機(jī)構(gòu)裝配圖。新式加工機(jī)構(gòu)的使用，同時(shí)代表著刻槽機(jī)構(gòu)工作流程的改變，如下圖8所示，新式刻槽機(jī)加工降低的設(shè)備的空行程時(shí)間，提高加工效率，同時(shí)下刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作過程中的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，保證了刻槽刀銑削方向的一致，避免由于刀具軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)行成順刻逆刻造成加工表面質(zhì)量不高的問題，提高加工質(zhì)量。

2 關(guān)鍵部件的選取

2.1 十字滑臺(tái)的計(jì)算選擇

十字滑臺(tái)其主體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為兩個(gè)絲桿螺母機(jī)構(gòu)的組合，通過兩個(gè)絲桿螺母機(jī)構(gòu)的相對(duì)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)承載件的橫向、縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。常用絲桿螺母機(jī)構(gòu)的主要零部件包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承座、直線導(dǎo)軌、和滾珠絲桿。