一种电枢加工中的双工位刻槽机的设计

蒋志刚 闫昊

摘 要：在启动电机电枢绕组制造过程中，电枢的刻槽是核心环节。本文针对某厂家的现有刻槽设备进行研究，从已知的工作流程开始，通过对传动机构、刀杆连接机构、进给机构和关键部件的选取，设计出一种新型的双工位刻槽机构。

关键词：电枢；刻槽；双工位；改进

某厂家目前的电枢加工生产线上有多个耗时费力的流程环节，其中效率最低且要求精度最高的环节就是电枢的刻槽。该厂家现有的机加工设备中，刻槽需要对云母片材料进行精准的下刻去除，精度不足造成的刻偏或未刻除干净，都会引起使用电枢的启动机性能下降。经过分析研究，该厂家现有设备的主要缺点如下：

1）加工效率不高。换向器刻槽的加工时间主要取决于其本身的槽数，槽数越多，耗费的时间也就越长。

2）设备使用率低。在换向器刻槽过程中，高速铣刀回退过程中造成了设备的空运行，设备生产加工时间仅占整体生产时间的50%左右。

3）生产稳定性差。使用工人进行上下料，刻槽机的加工效率主要依赖于人工的工作强度。

4）加工屑的收集性低。加工的不可控因素较大，吸屑机构并不能进行完全的吸屑，加工时间久了，刻槽机面上仍布满了加工屑。

针对这几项缺点，改进将从缩减工时、改进加工方式、自动化上下料这三方面进行。

1 关键结构的设计

影响刻槽机加工效率与质量的主要因素包括下刻刀的进给方式、刀杆轴的回转精度和加工屑的处理方式，主要特点表现为：

换向器云母槽的槽数较多，下刻刀的进给方式主要影响刻槽加工时间。

刀杆轴的回转精度和加工屑的收集处理对换向器加工的精度和质量起着重要作用。

故对此三个因素的结构方式进行设计计算分析，确保工作的可靠性。

1.1 下刻结构的设计

常用刻槽机下刻结构包括电机的传动机构与下刻刀片的回转机构。传统的刻槽机用下刻结构包括电动机、刀杆和下刻刀片，其连接机构表现为刀杆主轴与电机轴直连，下刻刀片通过锁紧螺母锁紧在刀杆主轴上，工作时启动电机带动刀杆主轴旋转，从而驱动刀杆末端的下刻刀片转动[1]，实现换向器刻槽加工。

如图1，该刻槽机用下刻结构使用简单，布置方便，但也存在着一些缺陷，如刀杆的伸出轴端较长，加工精度受电动机振动的影响较大等。

考虑到现有结构中存在的部分缺陷，影响换向器加工质量，对现有设备进行结构改进。常用的机械传动方式包括链传动、皮带传动和齿轮传动[2]，齿轮传动具备特点如下：

1）使用的圆周速度和功率范围广。

2）高效率传递。

3）传动比稳定。

4）使用寿命长。

5）工作可靠性较高。

6）要求较高的制造和安装精度，成本较高。

7）不适宜远距离两轴之间的传动。

考虑齿轮传递的如上特点，使用齿轮实现刻槽机构的传动，如图2，改进后采用二级圆柱齿轮保证电机轴与刀杆轴之间运动传递的平稳。

下刻刀片的回转运动也是影响换向器加工精度的重要因素之一，通常表现为固定下刻刀片的刀杆与电机轴直连，该连接方式振动较大，换向器加工精度差。如图3，改进后增加使用刀杆轴，刀杆与刀杆轴之间采用莫氏锥度精确配合，在刀杆尾部使用双头螺柱与刀杆轴进行固定连接，一方面保证运动过程中的同轴度，另一方面方便刀杆的拆卸与换装。对改进后的下刻结构进行装配如图4。

1.2 进给机构的设计

换向器刻槽机通常采用直线移动的方式实现铣削刀片的轴向进给，即刻槽基座通过气缸活塞杆直线驱动，刀杆轴带动旋转刀片进行换向器的轴向往复移动，实现铜片间云母层的下刻[3]。一般采用双作用气缸从活塞两侧交替供气，来实现下刻刀的高速、高频率的进给，如下图5：

当转子总成通过定位夹紧机构实现定位后，推进气缸推进伺服电机实现对下刻刀的送进，直线运动行程为L1，当伺服电机抵达挡铁2的位置时[4]，送进气缸收缩活塞杆，拉动伺服电机退回至挡铁1位置，一次刻槽完成，对该类结构中存在问题分析如下：

1）设备利用率低。云母槽的数目较多，通常情况加工一个换向器的时间至少需要气缸实现25次的往复运动。在回程运动中，行成刀杆的空转及分度电机的等待，延长了加工时间。

2）刻槽质量不高。刀杆在进给和回退的过程中，高速回转的下刻刀片对云母层进行了顺刻和逆刻，导致加工表面毛刺较多。

3）可靠性差。固定的机械定位，高频率的撞击使用，对气缸的磨损较大且随着对挡铁撞击次数的增多，挡块的磨损会造成刻槽精度下降。

4）机构调节复杂。不同型号换向器刻槽长度不同以及换向器的径向高度不同，需通过调节两端挡铁之间的距离L1来满足所需的轴向刻槽长度，同时调节送进机构整体的水平高度来适应换向器刻槽高度的变化，该机械式调节误差较大，过程繁琐。

如图6，改进后刻槽机的进给机构选用十字滑台。其运动原理为下刻刀的轴向进给通过横向丝杆螺母机构来实现，当更换不同尺寸的转子总成时，下刻刀的径向调整通过纵向丝杆螺母机构来实现，使用伺服电机控制下的丝杆螺母副替代传统的机械式調节，效率更高，传动更加可靠[5]。

如图7，改进后的刻槽机构装配图。新式加工机构的使用，同时代表着刻槽机构工作流程的改变，如下图8所示，新式刻槽机加工降低的设备的空行程时间，提高加工效率，同时下刻驱动电机在工作过程中的正转、反转，保证了刻槽刀铣削方向的一致，避免由于刀具轴向往复运动行成顺刻逆刻造成加工表面质量不高的问题，提高加工质量。

2 关键部件的选取

2.1 十字滑台的计算选择

十字滑台其主体结构表现为两个丝杆螺母机构的组合，通过两个丝杆螺母机构的相对移动，实现承载件的横向、纵向进给运动。常用丝杆螺母机构的主要零部件包括伺服电机、联轴器、轴承座、直线导轨、和滚珠丝杆。