電動工具用串勵電機轉子換向器表面車削方法

徐阿蘭，徐良達

（ 康平科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

0 引言

電動工具作業(yè)期間，串勵電機轉子換向器與碳刷之間產生的火花過大可引發(fā)噪聲和電磁干擾等不良現(xiàn)象。產生換向火花的因素較多，常見于機械火花、電磁火花和化學火花。換向器表面質量處理欠佳時，不僅促使電機產生機械火花，同時也影響碳刷與換向器表面氧化膜的形成。本文探討換向器表面車削方法和質量要求以及相應的檢驗方法。

1 概述

換向器出現(xiàn)偏心、直徑不均勻、凹凸等表面缺陷現(xiàn)象；換向器與碳刷接觸不良，換向器片存在毛刺，或片間留有銅屑造成片間短路，形成環(huán)火；換向器表面過于光滑，換向器表面氧化膜不易形成，都會引起火花[1]。為減少電動工具轉子在高速運動時產生上述原因引發(fā)的火花，有必要針對換向器圓度、換向器跳動、換向器片與片間的高低差、換向器表面粗糙度、表面錐度等方面進行控制，以提升電機使用壽命。

2 原因分析

2.1 原材料

1）換向器材料及零件加工精度。換向器外觀應完整，工作表面應為光滑的圓柱面，無裂紋、無毛刺、無殘余、無銹蝕等缺陷。電動工具用換向器銅排選用材料性能見表1。

表1 銅排材料性能

在實際運轉情況下，換向器表面溫度高達200℃～250℃，此狀態(tài)下含銀換向器的銅排硬度可達HB 110，提高了換向器在高溫高速使用狀態(tài)下的耐磨性，所以常選用含銀的銅材做換向片[2]。不同電機的轉速不同，對換向器含銀量的選擇也有所不同，換向器銅排含銀量的多少，影響著碳刷的選配。同時，轉速不同，所選配的碳刷也不同。

換向器銅排表面跳動應滿足要求，跳動大，換向器表面無法全部車削，必須加大進給量或多次車削，除生產效率低外，換向器外徑減小也可導致電機壽命縮短。另外，換向器在實際加工過程中，由于生產工藝的缺陷，可能產生浮排現(xiàn)象，一般可通過精車換向器以消除火花[3]。

2） 軸原材料零件加工精度。車削換向器的精車機大多以支撐轉子軸承檔定位（較少采用頂針，是由于轉子軸熱處理后，或多或少會對軸端頂尖孔造成破壞。同時，轉子運行時以軸承檔定位），轉子軸承檔除外徑、粗糙度應滿足要求外，圓度也應滿足相關標準要求。

軸承檔圓度按產品不同，有不同要求，一般產品軸承檔圓度≤0.008 mm；質量要求相對較高的產品軸承檔圓度≤0.004 mm。

2.2 轉子支撐架（V架）及傳動帶

換向器車削時，軸承檔支撐架通常制作成V架形式，要求：保持清潔無異物，自動注油潤滑；導軌座與被支撐工件軸心線平行度誤差≤0.02 mm，換向器車削后的圓度控制在0.004 mm內，甚至更??；傳動帶摩擦驅動裝置具備可調的緩升加速和緩降減速制動功能；換向器精車前，調節(jié)V架距離以確保傳動帶所壓位置為轉子鐵芯的中間位置。

2.3 車加工設備精車機及加工精度

車削換向器表面的精車機需有足夠的剛度及穩(wěn)定性，電源電壓波動值為額定電壓±10%；切削調節(jié)量分辨力≤0.02 mm，且可以顯示；通過液壓阻尼調速裝置或伺服電機實現(xiàn)進給速度在0 mm/s～50 mm/s連續(xù)可調；精車后換向器外徑誤差≤0.02 mm；重復精車精度＜0.01 mm；精車后換向器同軸度誤差≤φ0.01 mm，工件的同軸度誤差≤φ0.005 mm；精車后換向器表面粗糙度Ra≤0.4μm。

2.4 刀具

換向器表面加工質量的好壞直接影響著電機換向火花等級及電機的使用壽命，為了獲得滿意的換向器工作表面質量，在相同的精車機和工裝夾具條件下，刀具起著決定性的作用。

換向器精車外圓用刀具材料的選用，應從換向器工作面所需的表面質量、尺寸、外形精度（表面粗糙度、圓度、跳動）、刀具壽命及刀具成本等方面綜合考慮。在精車換向器時，刀具材料采用合成金剛石（PCD）。合成金剛石是在高溫、高壓的條件下，將金剛石粉末通過鈷等金屬粉末按一定比例混合后，燒結而成的多晶體材料，具有高硬度、耐磨性好、傳導熱性強、熱膨脹系數(shù)低、刀刃鋒利等特點。金剛石微粒越小，硬度越高，PCD摩擦系數(shù)低，PCD刀刃與工件間產生的切削力小，刃部不易變形，使用壽命長。PCD與有色金屬的親和力小，加工表面質量高。

正確選用刀具角度，可以提高刀具使用壽命、減小切削力，刀具主要角度如圖1所示。

圖1 刀具主要角度

圖1中，γ0為前角，前角角度大則切削刃鋒利，切削輕快，但前角過大時切削刃減薄變弱，散熱性性變差，刀具磨損速度加快，從而降低刀具的使用壽命。在實際車削過程中，前角通常取較大值。α0為后角，后角的主要作用是減少刀具后刀面與工件加工表面的摩擦，配合前角調整切削刃的鋒利和堅固程度。后角大，摩擦小，切削刃鋒利。但后角過大時切削刃變薄弱，散熱條件變差，刀具磨損速度加快。在確保加工質量和刀具使用壽命的條件下，后角角度盡量取大值。

切削過程中刀具的實際切削角度即為工作角度。刀具安裝高度對前角和后角影響如圖2所示。

圖2 刀具安裝高度對前角和后角影響

圖2中，車削外圓時，刀尖與工件的回轉中心軸線等高，工作前角γ0e=γ0，工作后角α0e=α0；刀尖高于工件回轉中心軸線，工作前角γ0e＞γ0，工作后角α0e＜α0；相反，刀尖低于工件回轉中心軸線時，工作前角γ0e＜γ0，工作后角α0e＜α0。

刀尖高于工件回轉中心軸線時，前角增大、后角減??；刀尖低于工件回轉中心軸線時，前角減小、后角增大。

主偏角為基面中主切削刃與進給方向的夾角。主偏角主要影響切削層截面的形狀及切削分力，與副偏角一起影響已加工表面的粗糙度；副偏角具有減少副后刀面與已加工表面摩擦的作用。

主、副偏角減小，已加工表面的殘留面積高度降低，表面粗糙度降低。此時刀尖強度和散熱條件較好，可以延長刀具的使用壽命。但主偏角小，切削反作用力增大，當工件剛性較差時易變形，引起振動。主偏角對殘留面積影響示意圖如3所示，副偏角對殘留面積影響示意圖如圖4所示。

圖3 主偏角對殘留面積影響示意圖

圖4 副偏角對殘留面積影響示意圖

主偏角和副偏角的選用原則：切削時，不產生振動的情況下，常取小值?？紤]到換向器銅材的線膨脹系數(shù)大，車削時易產生熱量，產生銅屑粘接，主偏角應取小值，但綜合考慮到車削長度、振刀、刀刃材料等因素，主偏角常取大值。

刃傾角為切削平面中主切削刃與過刀尖基面之間的夾角。刃傾角主要影響刀頭強度和切屑的排出方向。刃傾角為負時，刀頭強度增大，切深抗力增加，易產生振刀現(xiàn)象，切屑排向已加工面，可能會破壞已加工表面。刃傾角為正時，刀頭強度變弱，切屑排出方向為未加工面。

刃傾角的選擇原則：精加工時一般取正值，粗加工時可取負值；斷續(xù)切削時，一般取負值；工件剛性較好時，刃傾角可用大負值。車削換向器時，屬于斷續(xù)切削，可采用零度或小正刃傾角。

刀具的材質和角度對精車有很大的影響，除此之外，刀具的角度也還要根據(jù)換向器含銀量的不同進行調節(jié)，不同含銀量的換向器韌性不同，切下的銅屑形狀不同，呈粒狀、條狀或片狀。

2.5 車削參數(shù)

為了保證換向器加工質量及生產效率，從切削深度考慮，應按照從大至小的順序，不同的切削深度配合不同的切削速度進行，大切削深度時切削速度慢，表面粗糙度大（切削深度過大影響刀具使用壽命），小切削深度時切削速度快，可以獲得較小的表面粗糙度，進給量過大則表面粗糙度大。所以，切削速度、進給量與切削深度應三者結合考慮。

通常情況下，車削時轉子轉速為350 r/min～600 r/min，切削速度為30 r/min～50 r/min，進給量為0.08 mm/r～0.15 mm/r，刀具徑向切削深度為0.01 mm～0.10 mm。

某些轉子換向器經車削后，還應關注單位長度上的刀紋數(shù)，精車后換向器表面單位長度與刀紋如圖5所示，左側線條是換向器精車后的條紋，右側為粗糙度儀測試。

圖5 精車后換向器表面單位長度與刀紋

圖5中，單位長度的波峰數(shù)由轉子轉速和走刀速度決定，轉速越快、速度越慢，刀紋數(shù)（波峰數(shù)）越多。

按產品換向器表面所需的要求及生產效率，換向器表面一般車削2次，特殊情況也可車削更多次。刀具的使用壽命約為10 000次。為了保證換向器車削精度，連續(xù)車削3 000個換向器后必需更換或修復刀具，并對車削后的換向器重新進行質量檢測。

3 質量要求

精車時切下的銅屑，可用高負壓氣流及時吸走，避免粘黏在換向器表面或槽內；車削后，用刷輪對換向器表面及槽內再次檢查并清理，杜絕短路現(xiàn)象。實際作業(yè)中應注意：

換向器表面應保持紋路清晰、粗細均勻，不可存在銅屑、異物、傷痕；換向器片間不可有毛刺或銅屑粘黏，以免造成短路、引起轉子燒毀；換向器車削后工作面外徑和長度尺寸應符合設計要求；換向器圓度≤0.008 mm，也有要求≤0.004 mm；換向器跳動≤0.013 mm。

換向器片與片間高低差≤0.002 mm，以避免碳刷在運轉時產生跳動，造成火花；換向器表面粗糙度太小，運轉時產生異聲，反之碳刷磨擦過大，使用壽命縮短。除此之外，表面粗糙度欠缺同樣影響正常的氧化膜形成，從而產生換向火花。因此，應結合不同工具匹配的碳刷，來選擇不同的粗糙度范圍。

換向器外圓上、下錐度≤0.03 mm，也有要求≤0.02 mm；

刀具角度一定時，在保證設計要求情況下，刀紋數(shù)越多越好，具體按設計要求進行加工。

4 檢驗方法

1）外觀檢查。換向器表面質量可通過檢驗者直觀目視或利用放大鏡檢查。

2）尺寸及外形精度檢查。采用卡尺或投影對換向器車削外徑和長度檢查，同時，對鉤外觀和鉤尺寸進行檢查，杜絕精車時碰鉤現(xiàn)象；換向器表面錐度采用千分尺進行測量；表面粗糙度通過粗糙度儀進行測量，必要時對單位長度上的精車刀紋數(shù)進行確認；圓度、跳動及換向器片與片間的高低差通過圓度儀進行測量。

3）電氣檢查。（滴漆前）白坯，進行耐壓檢查、匝間沖擊檢查，片間電阻、焊接電阻檢查等，及時發(fā)現(xiàn)繞線、插槽楔、點焊、搬運過程中所引起的繞組損傷、換向器片間銅屑殘留等不良現(xiàn)象；（滴漆后）紅坯，進行耐壓檢查、匝間沖擊檢查，片間電阻檢查、焊接電阻檢查及絕緣電阻檢查，及時發(fā)現(xiàn)繞線、插槽楔、點焊、滴漆、精車換向器、動平衡及搬運過程中對繞組的損傷及換向器片間銅屑殘留等不良現(xiàn)象。

5 常見問題

1）換向器外觀不合格。換向器表面碰傷，應避免物料周轉時發(fā)生磕碰；換向片上粘留銅屑，可使用刷輪進行清理；換向片紋路紊亂，重新調整相關參數(shù)進行精車。

2）車削長度、外徑不合格。刀具位置不正確。

3）換向器錐度不良。支撐架高度不正確、支撐架位置未調整到位。

4）換向器表面粗糙度不合格。刀具不鋒利、刀尖損壞，需更換鋒利的刀具；刀具角度和車削參數(shù)設計不合理。

5）換向器圓度不合格。轉子軸承檔欠佳，換向器工作表面有凹坑、碰傷等缺陷；轉子軸彎曲，切削深度隨軸彎變化，換向器在切削過程中運行不穩(wěn)產生振動；支撐架高度不正確、支撐架位置未調整到位、支撐架磨損、皮帶磨損、皮帶壓緊力不滿足要求或刀具磨損導致車削時切削力增加，銅排產生微變形。

6）片間電阻檢查不良。換向器槽內有銅屑，刷輪清理后再測試，必要時進行調整刀具角度、車削參數(shù)。

為保證車削質量，對刀具和設備要執(zhí)行定期更換和檢驗，更換后，對精車首件外觀、尺寸、錐度、粗糙度、圓度、耐壓、匝間等所有規(guī)格進行確認。

6 結語

針對影響換向器車削質量的諸多因素，除了對換向器本身及軸材料進行管控外，還應對精車機、刀具及車削參數(shù)進行管控，通過多方結合與優(yōu)化，確保換向器車削質量，從而延長電機壽命，提高生產效率并降低加工成本。