铜条电机转子外圆免加工设计终稿.docx
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铜条电机转子外圆免加工设计终稿
本科毕业设计（论文）
题目：
铜条电机转子外圆免加工设计
英文题目：
FreeMachiningDesignofCopperBarMotor
RotorOuterCircle
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
李超
学号：
20160190306
指导教师：
翟建孙即明尚衍飞
2020年5月10日
毕业设计（论文）独创性声明
该毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。
其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解青岛滨海学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，即：
学校有权保留送交毕业设计（论文）的复印件，允许被查阅和借阅；学校可以公布全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该毕业设计（论文）。
保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。
作者签名：
导师签名：
日期：
年月日
摘要：
本文分析了国内外的研究现状，了解了国内外相关研究的背景，主要研究以解决铜条电机转子热套及两端端环焊接完成后不能够直接进行动平衡实验的问题；首先通过改进冲槽切气隙工艺的加工方法，可以有效降低电机杂耗；改善冲片加热温度要求，以改变冲片变形量，从而有效改善整台电机电气性能；然后进一步改善冲片与转轴铁心档的配合公差要求，能够最大限度避免因热套时因过盈量过大引起的铁心变形；最后通过设计转子保护装置及措施，从而最大限度提高生产效率。
关键字：
转子冲槽切气隙配合公差
Abstract:
Thisarticleanalyzesthecurrentresearchstatusathomeandabroad,andunderstandsthebackgroundofrelatedresearchathomeandabroad.Themainresearchistosolvetheproblemthatthedynamicbalanceexperimentcannotbeperformeddirectlyaftertheweldingofthecopperrodmotorrotorthermaljacketandthetwoendsofthering;Theprocessingmethodofslot-cutairgaptechnologycaneffectivelyreducethemiscellaneousconsumptionofthemotor;improvetheheatingtemperaturerequirementsofthecoretochangetheamountofcoredeformation,therebyeffectivelyimprovingtheelectricalperformanceoftheentiremotor;andthenfurtherimprovethetolerancerequirementsofthepunchandthecoreoftheshaftItcanavoidthecoredeformationcausedbytheexcessiveinterferencewhenthethermaljacketismaximized.Finally,bydesigningtherotorprotectiondeviceandmeasures,theproductionefficiencycanbemaximized.
Keywords:
RotorCuttheairgapFittolerance
1绪论
1.1研究背景
随着国家节能减排的积极实施，尤其是高效节能电机的逐步推广应用，高效节能电机市场将有很大的增长，市场前景广阔。
其中对电动机转子的外圆进行机械加工是确保电动机气隙精度和电动机性能的关键过程。
如果转子外表面质量较差，毛刺较大或转子表面严重粘附在一起，将导致高电机杂耗，高温，效率低下，对于保证转子外圆加工的质量特别重要。
精密回转转子的关键点。
精密汽车的要求是转子的外圈和轴承的位置应同轴。
转子外圆的尺寸精度和粗糙度必须符合图纸要求；穿孔件中不应有倒齿，并且型芯的齿也不应轴向倾斜。
精密车削转子通常使用卧式车床上的精密车削工具进行车削。
为了防止齿反转，刀片必须具有较大的前角以使车刀锋利。
降低径向切削阻力。
与精密车削的定子铁心内圆一样，切削速度和切削深度不能太大，切削量不能大于单个冲头的厚度，以免造成过大的应力和损坏冲片。
本设计的研究课题主要来源于生产实践，在生产实践中发现发现铜条电机转子外圆需要进行车外圆加工，且要对车外圆加工后的铜条电机转子进行二次处理的问题。
从目前来看急切的需要一种既能够提高生产效率又消除质量安全隐患且满足尺寸设计要求的加工方法,解决在铜条电机转子热套及两端端环焊接完成后不能够直接进行动平衡实验的现状，以及转子在转子外径车削后,相口产生搭接的坚硬毛刺，不易清除片间毛刺搭楼影响杂散损耗，对高效电机效率产生影响；毛刺清理过程中，铁削乱飞声音刺耳，造成环境污染和噪声污染的问题，同时对工作人员造成一定的危害；带通风道结构铜条转子车削后易出现通风道变形问题,影响通风效果导致电机温度提高等缺陷的问题。
1.2国内外研究现状
1.2.1河南南阳防爆集团电机铜条转子外圆的加工
通过对工艺改进，采用新工艺方案:
按粗车、半精车、精车顺序加工,并选择合适刀具及毛刺清理工具，转子外圆不需进行特殊工艺处理,如下：
①选择合适的车加工铜条转子外圆工艺参数。
D粗车:
走刀方向:
从左往右走，主轴旋转方向:
顺时针,工件线速度为:
V=250n/min.进给量:
f=0.35mm/r，吃刀深度:
3至5mm。
2半精车:
走刀方向:
从左往右走，主轴旋转方向:
逆时针,工件线速度为;V=250m/min.进给量:
f=0.5mm/r，吃刀深度:
0.8-0.9mm。
3）精车:
走刀方向:
从右往左走,主轴旋转方向:
逆时针，工件线速度为:
60m/min，进给量:
f=0.8mm/r,吃刀深度:
0.1-0.2mm,经过对前期工艺加工对比后，发现按新的工艺方法车成的转子表面明亮，表面粗糙度较好，根据此参数,对不同材质的硅钢片的转子进行加工验证,按此方法能够获得较高的加工质量,并检验转子外圆的质量:
用10倍放大鏡观察转子表面,冲片间隔分明、清晰可见，无毛刺倒入钢条内，并把该表面粗糙度作为转子外团的质量检验标准。
因此通过对转子外圆车加工工艺过程、参数、质量检验标准等进行规范,稳定转子外圆的加工质量。
②选择合适刀具及毛刺清理工具，粗车、半精车选用刀片RCKT1606MO-KM3040,加工效率高，刀具耐用度强，在实际应用中得到操作者的认可，精车选用PRGCL3232P20刀柄,圆形刀片15760600RCKT1606,具有高耐磨性、耐热性、抗冲击性等特点,降低刀具与被加工材料之间的摩擦系数,从而减小切削力,能改善转子外圆的表面质量。
毛刺清理采用专用锥度硬质合金钢磨头将磨头安装在电动打磨工具上打磨棱边毛刺，磨头型号及规格可根据加工转子外圆结构不同,选择适合的标准磨头。
1.2.2齐齐哈尔电机转子铜条加工
图1.1为一种新型电机转子铜条加工机床，主要解决现有大电机转子铜条手工镶嵌效率低和质量难以保证，工人劳动强度大的问题。
其特征在于：
工件床身
（1）及刀架床身
（2）分别固定在基础上，并相互平行，具有消隙、分度和驱动功能的床头箱固定在工件床身
（1）前端上，两液压卡紧中心架滑动连接在工件床身
（1）上，具有热补偿、止退和顶紧力测量功能的尾座滑动连接在工件床身
（1）尾部上，具有锁紧功能的复合刀架滑动连接在刀架床身
（2）上。
该电机转子铜条加工机床具有该电机转子铜条加工机床具有加工效率高，保证质量，工人劳动强度小的特点，该电机转子铜条加工机床由于采用工件床身及刀架床身分别固定在基础上,并相互平行,具有消隙、分度和驱动功能的床头箱固定在工件床身前端上,两液压卡紧中心架滑动连接在工件床身上,具有热补偿、止退和顶紧力测量功能的尾座滑动连接在工件床身尾部上,具有锁紧功能的复合刀架滑动连接在刀架床身上的优化结构。
利用床头箱消隙、分度和驱动工件,利用两液压卡紧中心架扶正卡紧工件,利用尾座顶紧工件,并且具有热补偿、止退和顶紧力测量功能，利用复合刀架进给楔紧铜条和切削，将楔紧和切削工艺-次完成,因而提高铜条楔紧加工质量和效率，降低工人劳动强度，所以说该电机转子铜条加工机床具有加工效率高,保证质量,工人劳动强度小的特点。
1，工件床身，2，刀架床身
图1.1电机转子铜条加工机床
1.2.3数控转子外圆加工装置
图1.2为一种数控转子外圆加工机，具有驱动电机、主夹紧轴、副夹紧轴和切削刀具，副夹紧轴相对主夹紧轴同轴滑动设置,可相对主夹紧轴轴线移动，驱动电机通过带轮与皮带驱动主夹紧轴转动；主夹紧轴与副夹紧轴的上方设有一根传动杆,传动杆两端设有带轮,位于主夹紧轴端的带轮与传动杆固定连接，位于副夹紧轴端的带轮与传动杆之间的连接为径向固定轴向滑动连接，传动杆--端通过带轮与驱动电机皮带连接，传动杆另一端通过带轮与副夹紧轴皮带连接。
主夹紧轴和副夹紧轴能同步转动，在车削加工过程中转动平衡；通过自适应端面夹具可自动适应工件端面的差异，保证工件加工完成后不变形，保证加工精度,设计合理,具有较高的实用性。
加工工件时,将工件套接在芯轴7.上,然后通过液压缸8驱动副夹紧轴3滑动,主夹紧轴2和副夹紧轴3.上的自适应端面夹具6加紧工件两端面，由于自适应端面夹具6的端面夹持部62为球面连接，能根据加工工件的端面情况自动调整其夹持角度以适应工件，而不会强行夹持工件,造成工件在加工前的变形，而副夹紧轴3端的带轮52与传动杆5之间采用花键滑动套接,能够确保副夹紧轴3在夹紧滑动过程中跟随其同步滑动,保证动力的传递，然后启动驱动电机1,驱动主夹紧轴2和副夹紧轴3同步转动，切削刀具4可根据需要径向和横向进刀,进行车削精加工，加工完成后切削刀具4退刀,液压缸8驱动副夹紧轴3反向滑动，自适应端面夹具6解除对工件的夹持,完成车削加工。
驱动电机1，主夹紧轴2，副夹紧轴3，切削刀具4,传动杆5，夹具6
轴7，液压缸8，带轮51，带轮52
图1.2数控转子外圆加工装置
1.3研究内容
（1）改进冲槽切气隙工艺的加工方法：
采用一种制造转子冲片的新工艺，直接冲压出气隙。
该工艺为转子冲片单槽冲、冲片模具采用槽型与外圆直接按成活尺寸冲成。
相比于转子车削的气隙工艺,它第一点能减少电机的杂耗,通过冲压的方法切断气隙，避免转子车削引起的转子冲裁表面的粘连，,继而成功地避免了转子形成的表面电流对电机造成的损耗,这一方法对降低电机温升和电机损耗、提高电机效率均有好处。
（2）冲片温度要求的确定：
冲片加热温度影响整台电机电气性能，同时影响冲片变形量，此时非常重要的一点是选择过盈量的大小，如果过盈量过大，通常要增大铁心的加热温度以便顺利装配，如果温度过高，可能会损坏铁心的绝缘部分，从而增加铁心的损耗，并且如果过盈量过大，铁心可能产生永久变形，导致其所需扭矩无法传递；而如果过盈量太小，转矩则无法达到所需要求，特别是高速的电动机，离心力会使转子铁心和轴分离，从而使电动机不能正常工作，也可能导致其损坏。
（3）冲片和转轴铁心档的配合公差要求：
冲片与转轴铁心的配合公差，既要满足冲片与转轴的过盈量还要减小转子铁心热套时因过盈量过大引起的铁心变形。
（4）设计转子保护装置及措施：
电机转子在叠压完成后，在进行下一步工作之前，需要对转子外圆进行保护，制作对应的保护装置，以避免转子外圆受到磕碰磨损，影响电磁涡流，从而影响电机转速，影响效率。
1.4研究步骤
（1）查阅有关专业权威文献。
借用相关参考书以了解铜条电机的基本结构；
（2）调查国内外铜条电机转子外圆免加工实例，了解国内外行业的发展状况；
（3）要查询与该主题研究有关的一定数量的中文和英文资料，就需要现代文献检索系统和能够检索互联网文献的能力；
（4）认识到铜条电机的工作原理和电机转子的制作过程，以及铜条电机转子各部件之间的公差配合的计算设计；
（5）检查电机转子主要部件的强度，绘制转子的装配图，并绘制主要部件的零件图；
（6）及时与导师沟通，分阶段汇报工作，发现问题，及时解决问题。
全面利用现有条件，更好地满足设计要求。
2总体方案设计
2.1改进切气隙冲槽工艺的加工方法
采用一种制造转子冲片的新工艺，直接冲压出气隙。
该工艺为转子冲片单槽冲、冲片模具采用槽型与外圆直接按成活尺寸冲成。
对比于转子车削气隙工艺，用冲压的方法切出气隙，能有效避免转子的外表面粘连，有利于减少电动机的损耗，提高效率并减小温度上升。
为了使生产效率增加，在保证产品的质量前提下，所设计的具体方案如下图2.1所示，它只用一个冲孔槽来切割气隙凸模，在冲孔过程中，将左整齿的气隙废料切断，即气隙的切断部分为不对称的结构。
此方案，冲槽部分与切割气隙部分成一体，但是切割气隙部分向左侧偏移，并且偏移部分的宽度仍然是一个狭槽距离,使得每个刀片的接头冲压仅在槽口处进行，但是，冲压工艺设备中存在一定的偏心载荷，考虑到两个相邻槽口之间的外圆弧的长度与凹槽周长相差非常之大，所以可以忽略偏心载荷的问题。
加工模具相对简单，并且在硅钢片齿部的外圆上不会有任何残留物，不会出现接茬现象。
效果更好，已被用于冲片的制作。
由于模具的凹槽形状是单面悬臂，因此槽口尖端的强度很差，最窄的部分约为0.5mm至O8mm，因此请注意此处的强度。
但是，为了防止通气槽钢的点焊引起通气槽板变形而大于铁芯的外圆，与冲孔相比，通气槽板的外径减小了0.2mm。
盘子。
与普通的单槽冲孔工艺相比，打孔和切割气隙工艺可以确保铁芯外芯相对于轴线的跳动小于0.1mm，而无需增加工艺数量，无需在模具上进行大量投资，而且成本没有明显增加。
图2.1切气隙冲槽凸模
2.1.1切气隙冲槽模具
冲裁气隙模的结构比较简单，基本上与单槽冲模相同。
具体结构如图2.2所示。
为了便于调节，冲头的压力中心通常位于凹槽对称线上。
由于切割气隙部分与冲头的冲孔部分之间的连接较弱，并且切割气隙部分在一侧承受剪切力，因此为了确保其高稳定性，切割气隙部分的宽度为已采取15毫米另外，由于冲头的形状复杂且不对称，凸模和凹模很容易变形，这使硅钢片毛刺超出了公差。
火花加工使模具具有刀片斜度，并且推力较小。
切削刃的有效高度通常为4mm。
泄料的空刀是倾斜型，不会削弱模具凹形悬臂的强度。
1，上模座2，螺钉3，圆柱销4，固定板5，卸料橡胶6，凸模
7，凹模8，螺钉9，压板10，下模座
图2.2切气隙冲槽模具
此工艺是生产转子铁芯的优越工艺。
在生产转子铁芯时，转子铁芯不需要精加工的外圆，从而避免了精加工过程中的反转。
问题，例如齿上毛刺未清洁，重绕，粘连，缺口和铁芯部分提高了产品质量和生产效率。
2.2确定冲片加热温度
冲片在设计制造过程中通常需要注意以下几个问题：
（1）冲孔片的制造难度主要取决于槽的形状。
在确定凹槽形状时，为了便于模具的制造以及在模具被淬火时，由于应力集中而经常在模具的角部出现裂纹。
故我们需尽可能地将圆角应用于设计中，其半径大于等于1mm，相比于平肩和平底凹槽，应优先选用圆肩或者圆底梨形凹槽，而碰到使用砌块结构模具的情况时，则优先选前者。
（2）转子硅钢片采用圆底槽，铸造铝液时铝液的填充状况要好于平底槽。
但是，基于改善电动机的启动性能的设计目标，不仅具有圆底槽的应用不仅很多，而且具有刀槽的凸槽不仅很多。
穿孔件的缺口的强度与模具的边缘强度有关。
如果缺口太小，则模具易被破坏。
（3）标记槽是冲头的正面和背面以及径向位置上的标记。
当狭槽的数量很大时，难以检查小半圆形孔（定位狭槽）相对于齿或狭槽的位置。
因此，经常在定子冲头的外圆上形成两个不同尺寸的小半圆形孔。
中小型电动机的转子叶片通常使钥匙槽具有尖角，并且还可以用作标记槽。
冲片加热温度影响整台电机电气性能,同时影响冲片变形量，基于1200v500基座的冲片应控在：
250℃+20℃，保温1.5H-2H。
对比测试也在旧式步进炉中进行了淬火和回火后尝试了几次，并比较了记录数据如下表2.1所示：
表2.1不同温度下记录表
片序
一区温度℃
二区温度℃
推进时间/秒
最小侧弯mm
效果
备注
1
100
120
24
0.25
差
淬1片
120
130
24
0.3
差
淬1片
140
150
8
0.35
差
淬2片
2
160
170
20
0.3
良
淬1件
180
190
10
0.2
良
淬1件
190
200
8
0.35
差
淬2件
3
200
220
8
0.4
良
淬1片
220
230
8
0.4
良
淬2件
4
250
260
24
0.2
良
1件
250
270
24
0.25
优
1件
260
280
20
1.4
良
淬1片
280
300
8
0.2
良
2件
300
320
8
0.35
良
淬2件
因为我们所测的任何物理量都不可能达到绝对的准确，由于现实的各种影响因素都会造成测量误差，所以以上试验数据得到的平均值，预测值和真实值相比都存在一定的误差，由于试验条件本身也存在一定的巧合性，所以本试验存在一定的误差，实际情况还需要诸多的试验说明和进一步进行相关论证。
经过对比发现上述第四组温度控制在250℃-270℃之间效果最好，保温时间控制在1.5H-2.0H，为最佳的冲片加热温度。
2.3冲片与转轴配合公差设计
图2.3转轴
图2.4冲片
如图2.3所示为转轴的结构示意图，如图2.4所示为冲片的结构示意图，硅钢片由内孔到圆周的方向上存在拉应力，由轴与硅钢片的过盈配合引起。
当它与离心力结合时，将难以控制。
过盈配合，凭借孔轴之间的过盈配合，会在零件表面产生摩擦，此摩擦为弹性压缩摩擦，从而实现紧密连接的设计形式，通常用于电机转子转轴与硅钢片之间的摩擦性连接，以抵抗扭矩和其他外部加载的转子叶片和转子轴。
冲孔板与轴过盈配合，有如下特点：
（1）接合的表面和圆柱的表面过盈接触，轴向压力过于分散。
其情况类似下图2.4。
由图可知，过盈配合面的两端拥有最大的接触压力，表现出应力集中现象，逐渐向中间缓和。
其下部接触的压力更大，此部分由仿真并分析获得。
这在一定程度上也意味着仿真结果与实际值略有不同。
这张图片只是从构思的角度进行比较，与实际可能有所不同；
图2.4圆柱面干涉连接接合面
（2）当转子内应力与过盈内应力相互有影响时，让其和它的屈服强度接近，减轻由于过盈配合引起的应力集中现象，可使电机转子含有硅钢片的多片式结构无法通过硅钢片上的卸荷槽释放内部应力；
（3）为了避免硅钢片在冲压后和转子轴的发生粘黏、划伤等问题，在旋转轴与硅刚片之间的材料硬度应有一定的差异。
通常，对旋转轴的表面进行诸如淬火之类的热处理操作以增加硬度并增加耐磨性和静载荷疲劳寿命，因此相对较软的一侧的材料是铁芯冲压件。
对于分段的硅钢片来说，在堆叠过程中硅钢片的毛刺方向应相同，以利于组装；
（4）为便于组装和拆卸，旋转轴的端部应进行约15度的倒角加工，加压时应涂抹润滑油；
（5）压制后，应将压制力保持几分钟。
组装后，应放置数小时后再搬运，以充分释放内部应力并实现内部应力的重新平衡；
（6）挤压和卸载的过程要缓慢进行。
当难以压紧时，可以适当增加压力，但不应显着增加压力；
（7）如设计过盈量较大，导致需要加压的压力过大时，可将硅钢片放入烘箱进行加热后在进行压装。
转移负载所需的最小组合压强Pmin
式中：
T：
传递的扭矩，本次取500000n·mm；
；结合直径；
：
结合长度,取100mm（一般取0.9至1.6倍的结合长度，本次取1.0）；
μ：
被连接件摩擦系数，见表2.2所示，本次取0.1及钢-结构钢无润滑条件下；
表2.2摩擦系数
假设各材料均为结构钢、不考虑温度效应、实心轴外径及冲片内径220mm、冲片外径500mm、传递扭矩500Nn·m、结合长度700mm、实心轴、包容件（硅钢片）屈服强度400Mpa、被包容件（转轴）屈服强度800Mpa。
由于电机转子主要受到扭矩作用，而轴向力、电磁力、外部震动及冲击力等相对可忽略，本次计算只考了扭矩作用下的过盈配合参数。
由于冲片结构复杂，且为多个单片叠装的形式，冲片外圈又开有导条槽，其刚度远小于实心材料,实际设计设计时，应根据实际情况与实验数据，验证等效的计算外径。
经计算：
直径比；包容件为26/32.5=0.8；被包容件=0，传递荷载所需的最小直径变化量：
式中:
Pmin:
最小结合压强；
Dr:
冲片内径；
C1需查阅表2.2，本次取4.255及0.75；
Ea为连接件（硅钢片）弹性模量160Gpa。
表2.3：
值
带入以上公式，得包容件：
Ca=0.144x220x4.255/160000=0.0008mm=0.8μm
以及被包容件：
C1=0.144x220x0.75/200000=0.0011mm=1.1μm
传递荷载所需的最小有效过盈量：
δmin=0.8+1.1=1.9μm（双边过盈量）
不产生塑性变形所允许的最大有效过过盈量不产生塑性变形所允许的最大结合压强（接触压力）包容件：
式中：
σa=包容件屈服强度=400Mpa；
其中qa=直径比=0.8；
带入以上公式，得
Pmax=0.1887x400=75.5Mpa
不产生塑性变形所允许的最大直径变化量：
式中，Pmax=75.5Mpa、Ca：
查阅下表=4.855、Ci：
查阅下表=4.255、Ea=160Gpa
表2.4Ca与Ci值
带入以上公式，得
emaxa=75.5x4.855/160000=0.00229mm
被包容件：
式中Ci=4.255带入以上公式，得
emaxi=75.5x26x4.255/200000=0.0418mm
不产生塑性变形所允许的最大有效过盈δmax=emaxa+emaxi=0.00229+0.0418=0.00647mm=6.47μm。
显然相对于500N·M的扭矩而言，这是一个极小的数值。
配合选择；初选基本过盈量
式中，δmin=1.9μm，δmax=6.47μm
带入以上公式，得
δ=4.185μm
表2.5选用配合
查图表得，过盈量优选范围是3μm~23μm。
经计算，在等效转子外径500mm，内径220mm，在承担500N·M扭矩时，过盈量范围是3μm~23μm双边）。
由于本电机尺寸较小，不可能出现500N·M的扭矩工况，而此工况下对应的过盈量范围，仅数十个微米量级，说明当前情况下，保证扭矩不松脱的过盈量，不需要太大。
需要采用相对较大的最小过盈量进行抵抗；相反的，为降低加工精度、成本、进度等方面的要求，最大过盈量（加工公差）应越大越好。
但过大的最大过盈量，将显著增加转子冲片的内应力，以至于最大应力，可能很容易接近或超过材料屈服强度，甚至远远超过。
这就需要尽量降低最大过盈量。
另外，如果最大过盈量与最小过盈量的范围太过接近，将对机械加工精度
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