原標(biāo)題：交流電機(jī)開口斜槽鑄鋁轉(zhuǎn)子壓鑄模具設(shè)計(jì)

摘要：以壓力損失最小的多點(diǎn)澆口替代側(cè)澆口較好地解決了鑄鋁轉(zhuǎn)子的斷條問(wèn)題，利用芯軸扭斜鍵較理想地完成了對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯的疊片扭斜處理，選擇全立式壓鑄機(jī)并采用一模四腔轉(zhuǎn)子壓鑄模，提升了鐵芯嵌件的放置速度、平穩(wěn)度和生產(chǎn)效率。所述轉(zhuǎn)子壓鑄模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、工作可靠、制造成本低廉、操作方便，鑄件報(bào)廢率低。

鼠籠式轉(zhuǎn)子是交流異步電機(jī)的最重要部件之一，在轉(zhuǎn)子的每個(gè)槽中鑄有純鋁導(dǎo)條，在鐵芯兩端以兩個(gè)端環(huán)將導(dǎo)條短接，形成短路繞組，用作產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因鼠籠轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，所以轉(zhuǎn)子無(wú)需維護(hù)且噪音低、可靠性較高。若壓鑄操作時(shí)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴(yán)重的斷條，電機(jī)會(huì)出力不足、電流增大并出現(xiàn)周期性擺動(dòng)、轉(zhuǎn)速下降，惡性循環(huán)下會(huì)導(dǎo)致定子繞組燒毀[2]。由此可知，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)是獲得優(yōu)良品質(zhì)鑄鋁轉(zhuǎn)子的根本所在。

1. 轉(zhuǎn)子鑄件的結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與理片工藝

鑄鋁轉(zhuǎn)子見圖1，端環(huán)和導(dǎo)條的材料為鑄造純鋁（Al99.8）,轉(zhuǎn)子鐵芯由轉(zhuǎn)子沖片（100片）疊壓而成，其外緣螺旋角為4.9o（扭斜一個(gè)齒距）。轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)孔邊緣處有一深2mm寬4mm的記號(hào)槽，并且頭部為45o尖角，其目的是確保理片時(shí)正反朝向一致，見圖2。所謂理片，就是用秤重法秤出100片沖片，將一根適當(dāng)長(zhǎng)度的細(xì)鉛絲一端穿過(guò)記號(hào)槽，另一端穿過(guò)最接近記號(hào)槽的導(dǎo)條槽，將兩個(gè)鉛絲頭用尖嘴鉗稍扭兩圈，如此這組鐵芯散片既得到了相對(duì)固定，鉛絲又隱藏在記號(hào)槽的45 o尖角內(nèi)，不會(huì)與扭斜螺旋鍵發(fā)生干涉。

圖1：鑄鋁轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)圖

圖2：轉(zhuǎn)子沖片

1.2. 壓鑄模具結(jié)構(gòu)分析

圖3扭斜鍵螺旋角計(jì)算

AB=πD外緣/n槽數(shù)=8.575；β=tan-1AB/AC= 4.9o，AD=πD內(nèi)孔/n槽數(shù)=3.021，α= tan-1AD/AC= 1.8o

扭斜鍵螺旋角計(jì)算（圖3）

開口槽轉(zhuǎn)子因氣隙不均勻?qū)е抡麄€(gè)圓周范圍氣隙磁阻不均勻（槽部磁阻相對(duì)齒部大），使反電勢(shì)中含有齒槽諧波。當(dāng)轉(zhuǎn)子采取斜槽后，能有效遏制齒槽諧波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩，使電磁振動(dòng)和噪聲獲得降低。轉(zhuǎn)子鐵芯扭斜角度是否到位將直接影響到克服反電勢(shì)中齒槽諧波的效果，因此，必須在轉(zhuǎn)子壓鑄前尋求一種快速、高效的鐵芯斜槽方法。

圖4：芯軸    圖5：扭斜鍵    圖6:扭斜芯軸裝配

將與沖片內(nèi)孔間隙配合的芯軸 （見圖4）插入已理好的轉(zhuǎn)子鐵芯沖片組內(nèi)孔（注意將槽口對(duì)準(zhǔn)沖片內(nèi)孔  記號(hào)槽），至兩端軸伸相當(dāng)時(shí)沿芯軸槽插入扭斜鍵（見圖5）并使扭斜鍵的2 mm寬斜凸鍵同時(shí)插入(或用小手錘輕輕敲入)鐵芯的記號(hào)槽中，由此扭斜工作得以完成；剪斷并抽出理片時(shí)所用綁緊鉛絲，獲得轉(zhuǎn)子鐵芯組件見圖6。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子壓鑄?；究煞譃槎N結(jié)構(gòu)，一種是在全立式壓鑄機(jī)生產(chǎn)時(shí)常采用全手工操作的移動(dòng)式壓鑄模具，其缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度較大、生產(chǎn)效率較低；二是當(dāng)選擇臥式冷壓室壓鑄機(jī)時(shí)常采用一模多腔側(cè)澆口進(jìn)料的壓鑄模具，雖提高了生產(chǎn)效率，但放置鐵芯嵌件較為困難且轉(zhuǎn)子鑄件報(bào)廢率較高，這是因?yàn)閭?cè)澆口壓力損失太大易導(dǎo)致斷條現(xiàn)象。

圖7:轉(zhuǎn)子壓鑄模
1.緊固螺釘2.卸料拉桿3、13.緊固螺釘4.墊片5.卸料套筒6.墊腳7.上模墊板8.上模型腔9.導(dǎo)套10.芯軸11.瓣合式中圈 12.扭斜鍵14.卸料板15.導(dǎo)柱16.底板17.轉(zhuǎn)子沖片組18.卸料板鑲件19.流道鑲件 20.分流錐21.上模型腔固定板
22.定位鍵                     

圖7是設(shè)計(jì)在ZJ40-400 kN型全立式壓鑄機(jī)工作的壓鑄模具，因采用瓣合式定位圈，獲得了一模四件的高效率且安裝鐵芯嵌件平穩(wěn)、速度快捷；為獲得良好的填充效果和產(chǎn)品外觀，克服斷條弊病，采用了點(diǎn)澆口進(jìn)料方式，為了便于從壓鑄模內(nèi)取出壓鑄件和保證壓鑄件表面不被拉傷，設(shè)置端環(huán)脫模斜度為1.5~3o，并因采用了兼?zhèn)渥詣?dòng)斷澆口的卸料板機(jī)構(gòu)，極大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖8：轉(zhuǎn)子鐵芯組件
1.芯軸 2.轉(zhuǎn)子沖片組 3.扭斜鍵

2. 全立式轉(zhuǎn)子壓鑄模具的結(jié)構(gòu)與工作原理

轉(zhuǎn)子壓鑄時(shí)裝夾鐵芯嵌件不可避免，而在全立式壓鑄機(jī)上工作的模具最適宜安放鐵芯嵌件，故全立式壓鑄機(jī)又稱為轉(zhuǎn)子壓鑄機(jī)。根據(jù)圖1和圖2，經(jīng)計(jì)算，4個(gè)轉(zhuǎn)子的總體積為387 cm3,則鑄鋁總質(zhì)量為967.5 g<1kg（鋁鑄件最大質(zhì)量）；經(jīng)計(jì)算，鑄件總投影面積為284 cm2，故可選擇ZJ40-400kN型全立式電機(jī)轉(zhuǎn)子壓鑄機(jī)。

2.1壓鑄模結(jié)構(gòu)分析

（1）轉(zhuǎn)子鐵芯的初始定位與澆注系統(tǒng)分析 四件轉(zhuǎn)子沖片組17分別安放在瓣合式中圈11的相應(yīng)定位孔中，合緊后旋入打有點(diǎn)澆口錐孔的卸料板鑲件18的定位止口內(nèi)（同時(shí)注意將定位鍵插入相應(yīng)槽中）；模具的直澆道是與壓鑄機(jī)冷壓室相銜接的Φ60 mm孔，橫澆道運(yùn)用了變異的蝶形片狀結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化橫澆道強(qiáng)度，在承受與點(diǎn)澆口的拉斷力是不發(fā)生變形。要指出的是，每個(gè)轉(zhuǎn)子采用均布的六點(diǎn)澆口進(jìn)料可最大限度地減小壓力損失，極大提升了成品率，轉(zhuǎn)子鑄件下端環(huán)所附帶的6個(gè)錐形點(diǎn)澆口廢料只需上車床切除即可。

（2）脫模機(jī)構(gòu)分析

脫模成功與否關(guān)乎模具的成敗，模具中共有4×6處Φ2點(diǎn)澆口，必須使該點(diǎn)澆口與蝶形橫澆道發(fā)生斷裂后方可取出轉(zhuǎn)子鑄件。本模具采用了借助上?；爻塘︱?qū)動(dòng)的卸料板卸料機(jī)構(gòu)。

2.2壓鑄模的工作原理

調(diào)整壓鑄機(jī)，使上模至上行極限位置；將4件已插入了扭斜芯軸裝配的轉(zhuǎn)子沖片組件分別放入瓣合式中圈11的4個(gè)孔位，合緊后整體旋入卸料板鑲件18的Φ2300+0.050止口，并使定位鍵22同時(shí)插入卸料板鑲件18的定位槽中；首先將已注入足夠量熔融純鋁液的石棉紙杯放入流道鑲件19的Φ60 mm孔中。開動(dòng)壓鑄機(jī)使上模下行，上模型腔8的Φ2300+0.050止口導(dǎo)入轉(zhuǎn)子沖片組的上端并繼續(xù)下壓，與此同時(shí)卸料板14也隨之延二導(dǎo)柱下滑直至上模下壓到底完成合模。啟動(dòng)壓射缸的壓射沖頭上行壓射，熔融純鋁液經(jīng)流道鑲件13的Φ60 mm直澆道、Φ220 mm蝶形橫澆道和卸料板鑲件10的24-Φ2 mm點(diǎn)澆口注入轉(zhuǎn)子端環(huán)型腔和鐵芯導(dǎo)條斜槽，經(jīng)增壓、凝固冷卻后開模（此時(shí)開有拉勾的壓射沖頭尚在注射結(jié)束時(shí)的原位）；開動(dòng)上模上行，當(dāng)固定在卸料拉桿2（共4根）端部的墊片4拉動(dòng)卸料套筒5（共4個(gè)），則卸料套筒5拉動(dòng)卸料板14，卸料板14在強(qiáng)力上行（因?yàn)榇藭r(shí)壓射沖頭的60o倒鉤反向拉住了澆口廢料，以確保不會(huì)因點(diǎn)澆口的拉斷力而上行）的同時(shí)拉斷了與其相聯(lián)的流道鑲件12結(jié)合面處的Φ2點(diǎn)澆口，繼續(xù)上行至所設(shè)定的極限位置。由于點(diǎn)澆口錐孔設(shè)有3°斜度，因而只需以木錘徑向輕擊瓣合式中圈11的側(cè)面，使之稍有松動(dòng)便可分別取下四瓣中圈9和四個(gè)帶澆口鑄鋁轉(zhuǎn)子；此時(shí)芯軸10和扭斜鍵12仍在轉(zhuǎn)子內(nèi)孔中，由于芯軸10與轉(zhuǎn)子內(nèi)孔是間隙配合，因而只需捏住轉(zhuǎn)子外緣，以小手錘敲擊芯軸10的任意一端，芯軸10受軸向敲擊后的快速退出，待芯軸10掉落后，徑向稍擊扭斜鍵12的頭部，則其將隨之墜落，至此可獲得圖1所示完美鑄鋁轉(zhuǎn)子。重復(fù)上述操作可進(jìn)入下一個(gè)壓鑄循環(huán)。

3.特點(diǎn)分析

（1）在全立式壓鑄機(jī)壓鑄模上采用一模多腔（傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)多為移動(dòng)式一模一腔模具）。

（2）采用了點(diǎn)澆口，克服了經(jīng)典的側(cè)澆口進(jìn)料因壓力損失過(guò)大易發(fā)生斷條或反面端環(huán)欠鑄的弊病。尤其是采用了非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)澆口，即Φ2內(nèi)澆口不是緊貼鑄件，而是像頂澆口那樣有9 mm長(zhǎng)的錐度擴(kuò)張區(qū)，有效克服了點(diǎn)澆口壓力損失大的弊端。經(jīng)試模后將每個(gè)轉(zhuǎn)子的點(diǎn)澆口數(shù)量由原先設(shè)計(jì)的四點(diǎn)增加到六點(diǎn)，以改善補(bǔ)縮動(dòng)壓力的傳遞能力，收到較好的效果。

（3）針對(duì)開口槽轉(zhuǎn)子沖片，采用了四瓣合式中圈結(jié)構(gòu)，在起到對(duì)四件鐵芯的定位的同時(shí)又防止了轉(zhuǎn)子外緣開口槽處發(fā)生溢料，此外四瓣合式中圈之間的縫隙還起到了良好的排氣作用。

（4）在壓射沖頭端部開有60o拉勾，以確保點(diǎn)澆口被卸料板拉斷時(shí)與澆口廢料處于一體的蝶形分流道停留在原位而不被拔出。

（5）變外緣槽口直接扭斜為內(nèi)孔記號(hào)槽間接扭斜。由外緣扭斜一個(gè)齒距（4.9o螺旋角），推算出內(nèi)孔記號(hào)槽處2mm寬斜凸鍵的螺旋角為1.8o，這是扭斜工裝成功的關(guān)鍵。

（6）芯軸10和扭斜鍵12采用分體結(jié)構(gòu)。芯軸10和扭斜鍵12為直槽間隙配合，以便壓鑄完畢取件時(shí)雖然扭斜鍵12的斜鍵在轉(zhuǎn)子斜鍵槽中，但并不妨礙芯軸10受軸向敲擊后的快速退出，待芯軸10掉落后，只需徑向稍擊扭斜鍵12的頭部，則其將隨之落下。如果芯軸10和扭斜鍵12采用整體結(jié)構(gòu)的話，扭斜鍵12將難以順利旋入沖片組的內(nèi)孔鍵槽。

（7）當(dāng)點(diǎn)澆口與橫澆道發(fā)生斷裂分離時(shí)，由于強(qiáng)度較差易發(fā)生扭曲變形影響分離脫模效果，而蝶形橫澆道的整體強(qiáng)度較好，從而克服了這一弊端。

4.結(jié)語(yǔ)

在轉(zhuǎn)子壓鑄過(guò)程中，若因欠鑄或斷條等原因發(fā)生報(bào)廢時(shí)轉(zhuǎn)子鐵芯也不得不隨之廢棄，這也是電機(jī)制造中成本拉高的重要原因之一。選擇適合鐵芯嵌件放置的全立式壓鑄機(jī)、充型壓力損失最小的錐度擴(kuò)張型點(diǎn)澆口、適應(yīng)一模四腔精準(zhǔn)定位的瓣合式中圈和剛性伸縮拉桿驅(qū)動(dòng)的卸料板點(diǎn)澆口拉斷機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)子壓鑄模獲得成功的根本保證。本模具與一模一腔全立式點(diǎn)澆口模具相比，極大提高了經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率；與傳統(tǒng)的一模多腔臥式側(cè)澆口轉(zhuǎn)子壓鑄模相比，具有裝夾鐵芯嵌件方便、模具穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

作者：肖洪波 段果林

蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院精密制造工程系