周錦添

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510520）

0 引言

我國(guó)多年來十分重視制造技術(shù)提高與改造，引進(jìn)了大量先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，電機(jī)行業(yè)的電機(jī)生產(chǎn)和測(cè)試目前已經(jīng)初步具備了大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的特點(diǎn)。就區(qū)域及企業(yè)發(fā)展情況看，市場(chǎng)需求旺盛及占據(jù)地理優(yōu)勢(shì)的沿海地區(qū)和企業(yè)發(fā)展尤為迅速，電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量占全國(guó)80%的廣東、浙江、江蘇三大省份在未來競(jìng)爭(zhēng)中具絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

雖然中國(guó)已成為世界電機(jī)的生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，但生產(chǎn)自動(dòng)化程度比較低、技術(shù)含量不高，許多技術(shù)含量高的設(shè)備，目前仍處于依賴進(jìn)口的狀態(tài)。近幾年，中國(guó)電機(jī)自動(dòng)化制造設(shè)備實(shí)用率也有了超速的提高，但在設(shè)計(jì)裝備上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然處于弱勢(shì)。就長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)看，未來10年中國(guó)電機(jī)行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的是自動(dòng)化生產(chǎn)制造設(shè)備，如：電機(jī)鐵芯片高速自動(dòng)沖床、電機(jī)轉(zhuǎn)子入軸機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)子自動(dòng)繞線機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)子整流子自動(dòng)焊接機(jī)、定子鐵芯自動(dòng)氬弧焊設(shè)備等等?；谧詣?dòng)化設(shè)備的引進(jìn)、消化、吸收，從設(shè)計(jì)上要緊貼國(guó)際先進(jìn)水平，針對(duì)電機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)工序之一電機(jī)轉(zhuǎn)子入軸工序，研制一種自動(dòng)入軸的自動(dòng)化設(shè)備，并在設(shè)計(jì)上提出一種基于計(jì)算機(jī)三維軟件設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯入軸小型液壓壓力機(jī)的模式，采用SolidWorks三維繪圖軟件，直觀、高效地設(shè)計(jì)壓力機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)和液壓站，并根據(jù)不同技術(shù)要求，利用計(jì)算機(jī)輔助三維軟件的強(qiáng)大功能，快速地改變主機(jī)、夾具和小型液壓站的設(shè)計(jì)。

研究電機(jī)轉(zhuǎn)子入軸液壓壓力機(jī)計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)，正是為了達(dá)到電機(jī)生產(chǎn)系列設(shè)備的高效設(shè)計(jì)，快速研制出入軸設(shè)備，推廣電機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高電機(jī)行業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)水平。

1 入軸設(shè)備總體方案確定

1.1 入軸設(shè)備總體方案

在各類電機(jī)中，微電機(jī)、分馬力電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸徑大多＜18 mm，軸長(zhǎng)＜300 mm。經(jīng)過試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子軸與轉(zhuǎn)子鐵芯孔裝配時(shí)最大下壓力為20 000 N，下壓過程時(shí)間為4 s。因此，機(jī)器應(yīng)采用液壓系統(tǒng)，具有壓力穩(wěn)定，下行運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子軸向定位精確，質(zhì)量穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。確定機(jī)器為小型液壓壓力機(jī)，液壓缸下行時(shí)間為4 s，液壓缸下壓力為30 000 N，液壓缸最大行程為300 mm，為垂直上下運(yùn)動(dòng)，需要獨(dú)立的液壓站設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)自動(dòng)化程度高的微電機(jī)、分馬力電機(jī)在轉(zhuǎn)子入軸機(jī)上壓軸工序如下：人工或自動(dòng)分疊好轉(zhuǎn)子硅鋼片鐵芯厚度——裝夾在壓力機(jī)工作臺(tái)上——按設(shè)計(jì)圖紙鐵芯槽方向夾緊鐵芯——按圖紙要求將轉(zhuǎn)子軸的上下方向裝夾在具有自動(dòng)夾緊功能的壓頭上——啟動(dòng)液壓缸動(dòng)作帶動(dòng)壓頭下行——軸壓入鐵芯孔的自動(dòng)裝配過程——入軸到位并壓力保持過程——壓頭返回上行至停止——取出入軸的轉(zhuǎn)子鐵芯（工件）——重復(fù)下一入軸工序。因此，壓入軸的整個(gè)過程是自動(dòng)完成的。

1.2 確定主要技術(shù)參數(shù)

（1）工作壓力可調(diào)，最高16 MPa，下行速度可調(diào)；

（2）軸芯定長(zhǎng)壓入；

（3）裝壓力最大30 000 N；

（4）最大行程300 mm；

（5）額定輸入壓：三相五線380 V；

（6）額定功率：4 kVA；

（7）機(jī)體外形尺寸（mm）：420（寬）×700（高）×475（長(zhǎng)）；

重量：約150 kg。

1.3 液壓壓力機(jī)的動(dòng)作流程

入軸設(shè)備設(shè)計(jì)方案整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，自動(dòng)控制流程方案如下：（1）初始狀態(tài)（液壓缸上位狀態(tài)）→（2）按啟動(dòng)按鈕，油泵電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)低壓電磁閥同時(shí)得電→（3）液壓缸開始下行，時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)→（4）壓軸到位，保壓時(shí)間計(jì)時(shí)停止→（5）低壓電磁換向閥得電，液壓缸快速返回→（6）返回到位，碰快壓緊電器限位行程開關(guān)→（7）電磁閥復(fù)位，處中位卸荷，完成一個(gè)壓軸過程。

手動(dòng)控制時(shí)，設(shè)手動(dòng)控制三位旋鈕1個(gè)，分別控制主機(jī)油缸上升、停止、下降。液壓缸動(dòng)作可設(shè)為點(diǎn)動(dòng)，主要用于安裝調(diào)試時(shí)操作方便，不作為工作使用。

2 液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)

2.1 液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)確定

液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有立式和臥式兩種，立式機(jī)身結(jié)構(gòu)又有單柱式、雙柱式和四柱式，小型液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)適合采用整體單柱式結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)最大裝壓力較小，僅為30 000 N，因此，結(jié)構(gòu)采用整體單柱式“C”型焊接式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其上部懸臂梁設(shè)計(jì)主要有液壓缸安裝孔，中部設(shè)計(jì)成四塊立板拼焊而成的空心方立柱，下部梁為液壓機(jī)工作臺(tái)面，面板上設(shè)有“T”型槽和落料孔，供安裝夾具使用。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是可三面為工作區(qū)，裝拆夾具及工件方便，特別適合電機(jī)壓軸工序，缺點(diǎn)是液壓缸帶動(dòng)下行機(jī)構(gòu)，下行機(jī)構(gòu)無精確定位。但為彌補(bǔ)下行精確定位，機(jī)身設(shè)計(jì)增加了直線導(dǎo)軌導(dǎo)向滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。為防止上部懸臂梁受力變形，影響工作精度，在方立柱兩側(cè)面，增加兩筋板，以增強(qiáng)剛度。如圖1所示為三維實(shí)體設(shè)計(jì)。

2.2 三維建模，實(shí)現(xiàn)快速的參數(shù)化設(shè)計(jì)

為解決生產(chǎn)制造的困難，同時(shí)也為適應(yīng)電機(jī)軸身長(zhǎng)度和軸徑大小不同，要求機(jī)身閉合高度和落料孔的變化，設(shè)計(jì)時(shí)采用了SolidWorks三維繪圖軟件建模，建模時(shí)采用零件造型功能和裝配造型功能建立三維結(jié)構(gòu)模型[1]，模型設(shè)計(jì)成模塊式分體機(jī)身結(jié)構(gòu)。三維分體式機(jī)身結(jié)構(gòu)裝配體由多個(gè)板形零件裝配成型，每個(gè)零件的幾何形狀及裝配關(guān)系都和其他零件相互關(guān)聯(lián)。

采用三維建模，上部懸臂梁、中部方立柱和下部工作臺(tái)面需建立模板庫(kù)，模板庫(kù)由不同結(jié)構(gòu)形式和形狀的金屬板件組成，并定義液壓機(jī)機(jī)身中各板的裝配關(guān)系，同時(shí)總結(jié)軸長(zhǎng)與閉合高度、軸徑與落料孔的關(guān)聯(lián)規(guī)律作為模型的約束條件，這樣，根據(jù)用戶確定的參數(shù)，如：改變軸長(zhǎng)或軸徑，將自動(dòng)生成不同閉合高度和不同孔徑的落料孔工作臺(tái)的機(jī)身結(jié)構(gòu)三維裝配模型，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，也可方便生成二維工程圖（包括每塊板的零件圖和機(jī)身裝配圖）。并可通過三維軟件功能，精確計(jì)算金屬耗材重量，以便進(jìn)行產(chǎn)品快速報(bào)價(jià)。圖2為三維實(shí)體設(shè)計(jì)。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)子入軸液壓壓力機(jī)

圖2 液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)

3 入軸工件的夾模三維設(shè)計(jì)

3.1 壓頭上夾模三維設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)子入軸的技術(shù)及工藝要求，壓頭上夾模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下功能。

（1）壓頭上夾模的設(shè)計(jì)要考慮與液壓缸攜帶的下行機(jī)構(gòu)連接，采用剛性的定位軸孔配合的緊固螺釘連接。

（2）壓頭需要自動(dòng)夾緊電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的功能，只需用人工把轉(zhuǎn)子軸套上壓頭上夾模，壓頭夾模依靠設(shè)計(jì)的鎖緊機(jī)構(gòu)，利用鎖緊力自動(dòng)夾緊轉(zhuǎn)子軸。

（3）壓頭夾模設(shè)計(jì)需適應(yīng)不同轉(zhuǎn)子伸出長(zhǎng)度的軸向精度定位，自身需具有調(diào)整軸向伸出長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)。

（4）壓頭夾模需要避開下夾模的轉(zhuǎn)子芯片定位片的位置，需設(shè)計(jì)出讓位槽，同時(shí)也需保證壓頭夾模下端面與轉(zhuǎn)子芯片的直徑尺寸一致。

利用三維建模，通過繪制草圖、實(shí)體特征零件、添加幾何關(guān)系、到裝配體，設(shè)計(jì)成如圖3所示壓頭夾模。

圖3 壓頭上夾模

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯夾緊下夾模三維設(shè)計(jì)

鐵芯是電機(jī)的重要零件之一，一般由厚度為0.35 mm或0.5 mm的硅鋼片組成。因此，一臺(tái)產(chǎn)品的鐵芯可由幾片至幾百片硅鋼片組成；隨著模具技術(shù)的發(fā)展，鐵芯沖片的加工由單沖模、復(fù)合模的沖裁，發(fā)展到用高速級(jí)進(jìn)模沖裁。模具的結(jié)構(gòu)形式從單列散片級(jí)進(jìn)沖模，發(fā)展到雙列、三列等多列自動(dòng)疊片高速級(jí)進(jìn)沖模。鐵芯疊裝技術(shù)有兩種：第一，傳統(tǒng)的手工理片，疊片后每片槽口參差不齊；第二，自動(dòng)疊片技術(shù)，每片槽口整齊。

圖4 壓頭下夾模

因此電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯芯片壓入軸工序的下夾緊模設(shè)計(jì)主要考慮的問題：（1）鐵芯的夾緊力和夾緊方式；（2）鐵芯槽槽口的對(duì)齊定位；（3）鐵芯疊厚分片。針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)下夾模的結(jié)構(gòu)形式如圖4示，它是由一氣動(dòng)系統(tǒng)氣缸提供推動(dòng)力，此圖為實(shí)物圖片。

圖5 入軸機(jī)液壓原理圖

圖6 入軸機(jī)電路原理圖

4 液壓系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理圖[2]如圖5所示；液壓壓力機(jī)的電路圖如圖6。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年生產(chǎn)，不斷完善設(shè)計(jì)，該設(shè)備已經(jīng)被上百家用戶使用，受到用戶極好評(píng)價(jià)。

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子液壓壓力入軸機(jī)的研制和批量生產(chǎn)，使得轉(zhuǎn)子鐵芯分片和齊片的手工操作變成機(jī)器自動(dòng)操作，提高了轉(zhuǎn)子入軸的效率和壓裝精度。

（2）機(jī)身設(shè)計(jì)采用了三維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，使得對(duì)于不同樣軸，對(duì)應(yīng)的機(jī)身設(shè)計(jì)變得高效和容易，同時(shí)，也可方便生成二維工程圖（包括每個(gè)的零件圖和機(jī)身裝配圖）。并可通過三維軟件功能，精確計(jì)算金屬耗材重量，以便進(jìn)行產(chǎn)品快速報(bào)價(jià)。

（3）采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行入軸，保證了壓裝力，同時(shí)采用氣動(dòng)系統(tǒng)夾緊鐵芯轉(zhuǎn)子，使得整個(gè)系統(tǒng)成本下降，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］江洪.Solidwords2011基礎(chǔ)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］張利平.液壓站［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.