微電機電樞換向器的車削
李慶平(湖北石首市汽車配件二廠)
1引言
微電機電樞換向器的車削是電樞制造的關鍵工序，換向器的表面粗糙度、換向器外圓與電樞軸的同軸度、換向器外表面的圓度等項精度直接影響電機的噪聲、壽命以及運轉的可靠性。我廠車削永磁直流電機電樞換向器，傳統工藝是在精密車床上加工，用軟爪夾持電樞軸一端的軸承位，另一端的軸承位由中心架支撐，刀具采用硬質合金刀片，進行換向器外圓面的車削，由于軟爪和中心架極易磨損，以及主軸回轉中心與電樞中心的不同軸度的影響，加之硬質合金刀片也磨損很快，因此，很難保證大批量穩定地車削電樞換向器。1989年我廠從美國環球公司引進了5臺電樞制造關鍵設備，其中有一臺電樞換向器車床。這臺車床的投產，改變了我廠傳統的換向器加工方法，大大提高了換向器的車削質量和生產效率。換向器外圓的表現粗糙度由Ral．6降低到Ra0．4，換向器外圓表面對電樞軸心線徑向的跳動由O．01mm降低到O．002ram。本文介紹換向器車床及其刀具的特點，以及影響換向器車削的各種因素。
2換向器車床的特點
美國環球公司DIA．一RS3型電樞換向器車床采用焊接結構床身，具有足夠的質量和良好的剮性，抗振性能很好。電機和油泵等旋轉機械裝置運轉平穩，并且采用了硬橡膠墊隔振等措施，消除了車床內部的振動源。車床采用可編程控制器控制車床的工作循環，采用液壓傳動控制進、退刀和傳動皮帶的升降，進刀速度無級調節。
車床采用兩個V型塊支撐電樞軸的軸承位，由一無接頭的平皮帶壓在電樞鐵心外圓上，帶動電樞高速旋轉，平皮帶與電樞中心線成一定角度，使電樞旋轉時產生一軸向力。將電樞尾端緊靠定位檔塊(如圖1所示)。工件的這種裝卡定位方式與電樞裝配在電機中的方式一樣，因此，使電樞的設計基準、加工基準、檢驗基準和裝配定位基準一致，減少了誤差，提高了精度。
 電樞傳動皮帶由一專門的電機驅動，驅動皮帶輪經過仔細的平衡，外圓表面光滑，因此電樞支撐在V型塊上，由平皮帶驅動高速旋轉時，十分平穩。
床身上的兩個V型塊的工作面都鑲有硬質合金，V型槽的底部有一潤滑油孔，工作時，油霧自動從底部油孔噴出，潤滑V型塊的工作面，延長了V型塊的工作壽命，保證工作精度。
車床足夠的剛性和工件合理的裝卡方式是高精度車削換向器的基礎，但光有這些還不夠，還應與合適的刀具、合理的切削用量、正確的調整相結合，才能車削出高質量的換向器。
3刀具、切削用量與調整
換向器的車削是微量、斷續切削，其加工對象為無氧銅，通常選用金剛石作為車削換向器的刀片材料。
金剛石是一種硬度高、剛度大的材料。它的硬度可達努氏KΠoop硬度8000～12000，維氏硬度HVl0000。它比其它材料的摩擦系數小，耐磨性比硬質合金大50～100倍。作為精加工有色金屬的刀具材料，其性能比硬質合金優越得多。特別是進行有色金屬的微量切前，硬質合金是無法取代金剛石的。金剛石刀具雖然硬度很高，耐磨，但很脆，怕振動。因此，作為精車換向器的金剛石刀具有其自身的特點。
最初使用金剛石刀具車削換向器時，刀具切削角大約90°，通常有負前角或者O°前角，前面有一大的刀尖圓弧。但在實際使用中，發現這個圓弧并沒有使刀具變得鋒利，切削換向器上柔軟的銅材并不輕快，往往在換向器槽內留下毛刺。我廠目前使用的刀具效果較好(見圖2)。這種車刀有一非常鋒利的刀刃。刀尖圓弧由倒角代替。如果有必要，也可在刀尖上磨出R0．15～O．25mm的圓弧，以獲得較低的表面粗糙度。但圓弧不能太大，否則會增加切削力，使刀具切削困難，銅屑粘在換向器槽內。合理選擇切削用量，是成功車削換向器的重要因素之一。金鋼石刀具在超精密加工中，切削銅和黃銅的切削速度500～600m／min，進刀深度O．02～O．05mm，走刀量為0．05～0．2mm／r。但由予車削換向器是斷續切削，且機床和工件的振動較之超精密車削大得多，毛坯的切削量也不均勻。推薦采用如下數值：切削速度不低于310m／min．；走刀量在保證表面粗糙度的情況下盡量大；
使用天然金鋼石刀片時，進刀深度至少應為O.05ram，使用人工合成聚晶金鋼石刀片時，進刀深度至少為O．12mm。用金鋼石刀具車削換向器時，從換向器上切下來的切屑的橫截面形狀會影響切削。切屑厚度足夠．切屑越寬，切屑就干凈利落。如果兩個方向的尺寸都太小，切屑就會撕襲，這樣既影響表面粗糙度，又會在槽內留下毛刺。因此，可通過觀察換向器表面的加工狀況調整切削用量和刀具安裝角度，以獲得滿意的表面粗糙度。
合適調整金鋼石刀具對刀具壽命和正常切削兩者都是非常重要的。如果刀具的切削刃相對于電樞中心過高或過低，刀具都不能正常切削。刀具壽命也會縮短。刀尖低子電樞中心線O。08～O．15mm都可獲得較佳的結果(如圖3所示)。當刀尖高出中心太多時，切削刃下面存在的壓力將使刀具損壞，甚至在刀具損壞之前就可看到換向器槽內擠滿了碎屑，因為此時切削刃沒有參加切削，是由車刀后面把材料擦下來的。金鋼石車刀刀尖低于中心過多時，雖然比高于中心的好，但仍然會縮短刀具壽命。因為此時后角增大，前角減小，導致垂直方向切削力增大，有可能引起刀具損壞。合適的刀具安裝高度會使刀具切削輕快。
4影響換向器車削的其它因素
除了車床刀具系統外，電樞本身的各種缺陷也會影響換向器的車削質量。
4．1電樞軸的圓度
電樞軸是電樞部件中最關鍵的零件之一，電樞軸軸承位的軸頸的磨削質量非常重要。由于許多因素的影響，磨削的軸頸很容易產生棱形，這一點在采用無芯磨削電樞軸時，更加明顯。調整不適當的無芯磨會產生奇數的棱形，棱形的對徑尺寸保持一致(見圖4)。這種形狀用千分尺無法檢查，但可用圓度儀測量。
當多棱形軸在V型塊上旋轉時，軸的中心隨著軸的旋轉而移動(見圖5)。因此引起車削的換向器失圓，從測試報告可看出，軸失圓的形狀會直接轉移到換向器表現上，換向器的橫截面形狀與軸的橫截面形狀十分一致(見圖6、圖7)。
4．2電樞軸軸心線的直線度
電樞軸軸心線的直線度對換器的車削影響也很大。一根彎軸頸支承的作用與一個橢圓形的軸十分相似(見圖8)。電樞軸旋轉時交替支承在V形塊的邊緣，導致V型支承塊邊緣的軸心A如圖9所示路線移動，那么換向器中心B和C也會按相似形狀的路線移動(見圖10)，導致車削的換向器失圓。
此外，彎軸還會引起不平衡，當皮帶驅動電樞旋轉時，引起振動，從而影響正常的車削。因此，****在車削換向器之前將電樞軸校直。
4.3電樞的平衡
電樞鐵心疊片歪斜和繞線張力不穩定，都會引起電樞的不平衡。電樞旋轉時，不平衡力使電樞總是在V型塊內移動。產生的振動對換向器的圓度韶表面粗糙度都有影響，影響的程度與不平衡量成比側。這種影響有時可忽略，但有時則應引起注意。不平衡量較大時，車刀一接觸挨向器就可能引起“扎刀”而將電樞拋出V形塊，甚至損壞刀具。
在換向器精度要求很高時，必須在車削換菇器之前平衡電樞。
4。4換向器的質量和換向片銅材的硬度
在車削換向器時，每一塊換向片都必須具有足夠的剛性。在車削過程中，換向片移動導致刀具損壞以及零件報廢的情況極少發生。一般是在車削過程中，換向片發生微小位移。在這種情況下，電樞轉動時，翹高的換向片通過電刷，增加了電機運轉時的噪聲(見圖11)。
換向片松動的原因是，換向片銅材太薄，車削后剛性不夠；換向片的嵌塑設計不合理；嵌住換向片的酚醛塑料固化不當;熔接漆包線時，換向器過熱。這可通過換向器的合理設計、調整嵌塑及點焊工藝參數解決。
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