蘇瀟何 SU Xiao-he 喬招偉 QIAO Zhao-wei 任向武 REN Xiang-wu

摘要：在金屬材料布氏硬度試驗方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出一種在固定硬度的材料上壓入一定深度所需壓力的計算方法，該方法可以用來計算轉(zhuǎn)子導(dǎo)條滾壓漲緊壓力，其計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致，可以作為機床設(shè)計改造的理論依據(jù)。

Abstract： Based on the Brinell hardness test method of metal materials，a calculation method of the pressure required to press into a certain depth on a material with fixed hardness is deduced，this method can be used to calculate the rolling tightening pressure of rotor-bar，the calculated results are consistent with the experimental results，it can be used as the theoretical basis for the design and transformation of machine tools.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條;滾壓漲緊;壓力;滾刀

Key words： rotor-bar;rolling tension;pressure;hobbing cutter

中圖分類號：TK266? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0073-02

0? 引言

電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在穿入沖片槽后，需要進行漲緊工序。目前導(dǎo)條漲緊主要有人工敲擊漲緊、導(dǎo)條沖漲機沖擊漲緊、導(dǎo)條滾壓機滾壓漲緊三種方式。

人工敲擊漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，一致性差，同時人工成本高，是一種比較傳統(tǒng)的漲緊方式;導(dǎo)條沖漲機沖擊漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性也能保證，但在沖擊漲緊的過程中，噪音很大，對操作人員及周圍生產(chǎn)現(xiàn)場的作業(yè)人員造成了很大影響;導(dǎo)條滾壓機滾壓漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，它是利用滾刀在導(dǎo)條上滾動擠壓的方式漲緊，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，也不會產(chǎn)生噪音，是一種比較理想的導(dǎo)條漲緊方式。

目前我公司所使用的滾壓漲緊機床為國外進口，價格昂貴，成本較高;所使用的沖擊漲緊機床工作時噪音很大。為了改善生產(chǎn)現(xiàn)場的工作環(huán)境，解決沖擊漲緊導(dǎo)條時噪音較大的問題，同時實現(xiàn)導(dǎo)條滾壓漲緊機床的國產(chǎn)化，考慮將沖擊漲緊機床的沖頭替換為滾刀，利用氣缸推動滾刀擠壓導(dǎo)條，同時滾刀沿轉(zhuǎn)子做軸向移動，從而達到漲緊導(dǎo)條的目的。但是，這種改進會引發(fā)一個問題：要實現(xiàn)導(dǎo)條漲緊，氣缸需要對滾刀形成多大的推力（壓力） ？本文為解決這個問題提供一種計算方法。

1? 計算思路概述

1.1 漲緊壓力與已知量的函數(shù)關(guān)系

不同型號的電機，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度不盡相同，但對于確定型號的電機，其轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度是確定的;另外，根據(jù)車間生產(chǎn)實際，當滾刀在導(dǎo)條上壓入一定深度（例如1mm）時，就可以確定轉(zhuǎn)子導(dǎo)條已經(jīng)漲緊。由此，可以得到兩個已知量：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度HBW和導(dǎo)條漲緊時滾刀需要壓入的深度h刀，而未知量是漲緊時滾刀需要的壓力F刀，那么，找出已知量和未知量之間的函數(shù)關(guān)系成為首要的問題。

根據(jù)國標GB/T 231.1-2009中對布氏硬度試驗方法的規(guī)定，可以得到布氏硬度的計算公式：

由上面的公式可以看出，只需要將物理量h代入布氏硬度的公式中，就可以得到壓力F與布氏硬度HBW和壓入深度h之間的函數(shù)關(guān)系，即：（1）

式中：HBW——布氏硬度;F——壓力;D——施壓硬質(zhì)合金球直徑;h——壓入深度。

在GB/T 231.1-2009的規(guī)定中，實施擠壓的是固定直徑的硬質(zhì)合金球，所以式（1）其實給出了在硬質(zhì)合金球施壓時，壓力F與布氏硬度HBW和壓入深度h之間的函數(shù)關(guān)系。但是，在實際生產(chǎn)中，施壓的是盤形滾刀而非硬質(zhì)合金球，那么，如何將式（1）應(yīng)用于滾刀的壓力計算成為下一個需要解決的問題。

1.2 滾刀與硬質(zhì)合金球之間的轉(zhuǎn)換

為了解決這個問題，在此引用壓強的概念。壓強是表示壓力作用效果的物理量，即：使物體產(chǎn)生形變效果的物理量。無論是滾刀漲緊還是硬質(zhì)合金球擠壓，其目的都是通過壓力使物體產(chǎn)生形變從而達到漲緊的效果，而壓強正是表示壓力作用效果的物理量，則可令硬質(zhì)合金球在導(dǎo)條上產(chǎn)生的壓強等于滾刀在導(dǎo)條上產(chǎn)生的壓強，就可以將兩者合理地關(guān)聯(lián)起來。即：

由上容易推得：（2）

式中：F刀——滾刀壓力;F球——硬質(zhì)合金球壓力;

S刀——滾刀受力面積;S球——硬質(zhì)合金球受力面積。

通過式（2），成功地建立起了滾刀壓力F刀與硬質(zhì)合金球壓力F球之間的函數(shù)關(guān)系，從而能夠?qū)鴺艘?guī)定的計算硬質(zhì)合金球壓力的公式（1）應(yīng)用于滾刀壓力的計算。

2? 各物理量的計算

由式（2）可知，要計算出滾刀壓力F刀的大小，需要分別計算出滾刀的受力面積S刀、硬質(zhì)合金球的受力面積S球以及硬質(zhì)合金球的壓力F球。下面將分別給出這三個物理量的計算方法。

2.1 滾刀受力面積S刀的計算

滾壓漲緊導(dǎo)條時使用的滾刀如圖1所示，由三維圖形容易看出，滾刀壓入轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的部分在壓力方向上的受力面積為其弧形面部分的面積加上兩個側(cè)面在弧形面上投影的面積。進一步分析可知，弧形面自身的面積和兩個側(cè)面在弧形面上投影的面積之和可以等效為一個長方形的面積，該長方形的長為滾刀壓入轉(zhuǎn)子部分的弧長，寬為滾刀壓入轉(zhuǎn)子部分的寬度，而這兩個量容易求出，則可得：

（3）

2.2 硬質(zhì)合金球受力面積S球的計算

假設(shè)用硬質(zhì)合金球壓入轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，容易知道，硬質(zhì)合金球壓入的部分是一個球缺，則其在壓力方向上的受力面積為球缺的側(cè)面積，而球缺側(cè)面積計算公式為A=2πrh，則可得：

S球=2πrh球（4）

式中：S球——硬質(zhì)合金球受力面積;

r——硬質(zhì)合金球半徑;

h球——硬質(zhì)合金球壓入深度。

2.3 硬質(zhì)合金球壓力F球的計算

根據(jù)式（1），容易得出硬質(zhì)合金球壓力F球的計算公式：

（5）

式中：F球——硬質(zhì)合金球壓力;

HBW——導(dǎo)條布氏硬度;

D——硬質(zhì)合金球直徑;

h球——硬質(zhì)合金球壓入深度。

2.4 滾刀壓力F刀的計算

將式（4）、式（5）同時代入式（2），可得：

通過約分，可以約去硬質(zhì)合金球直徑D（D=2r）和硬質(zhì)合金球壓入深度h球這兩個物理量，則：

（6）

由式（6）可以看出，滾刀所受壓力F刀與導(dǎo)條的布氏硬度HBW及滾刀的受力面積S刀成正比例關(guān)系，容易知道，滾刀的受力面積S刀又是由滾刀壓入導(dǎo)條的深度h刀決定的，所以，這個等式最終確定了滾刀壓力F刀與導(dǎo)條布氏硬度HBW和滾刀壓入深度h刀之間的關(guān)系，從而確定了1.1論述中的未知量和兩個已知量之間的函數(shù)關(guān)系。

3? 計算實例

實際生產(chǎn)中，以我公司生產(chǎn)的某一型號的電機為例，該電機目前是采用導(dǎo)條沖漲機沖擊漲緊的方式來漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的，現(xiàn)利用上述的方法計算一下滾壓漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條時所需壓力的大小。

該電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的布氏硬度HBW=110;滾刀壓入導(dǎo)條0.8mm-1.5mm時，認為導(dǎo)條已漲緊，計算時，取最大深度1.5mm;滾刀的外徑為60mm，滾刀刀刃厚度為1mm，刃口夾角為37.3°;硬質(zhì)合金球的直徑為10mm。則可得如下計算：

可以看出，假如采用滾刀滾壓的方式漲緊轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，需要氣缸提供約41.3kN的推力（壓力）。

4? 試驗驗證

為了驗證這種計算方法的可行性，通過制作試驗刀具架及刀軸，并在實驗室進行壓力試驗，得到了如表1所示試驗結(jié)果。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，理論計算壓力數(shù)值與實際試驗壓力數(shù)值之間的偏差很小，在機床改造設(shè)計中，表1的偏差率在容許的范圍內(nèi)。

5? 結(jié)束語

電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條漲緊是電機生產(chǎn)制造中的一項重要工序，對電機的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命有重要影響。文章提供了一種滾壓漲緊導(dǎo)條時所需壓力的計算方法，闡述了該方法中用到的各個物理量的推導(dǎo)過程和計算公式，最后通過具體計算實例和試驗驗證確定了該計算方法的可行性，為沖擊漲緊機床的改造提供了理論基礎(chǔ)。另外，文章提供的盤形滾刀的計算方法，對于其他結(jié)構(gòu)形式的刀具，也可以利用這種方法進行計算，只需要根據(jù)刀具的具體結(jié)構(gòu)變換其受力面積即可。

參考文獻：

[1]成大先.機械設(shè)計手冊[M].第四版 第1卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]GB/T 231.1-2009 金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法.

[3]任曉輝，許曉亮，陳薦英，王宇航.軌道牽引電機導(dǎo)條漲緊方案[J].電機與控制應(yīng)用，2021，48（4）.