徐阿蘭，徐良達

（ 康平科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

0 引言

電動工具作業(yè)期間，串勵電機轉(zhuǎn)子換向器與碳刷之間產(chǎn)生的火花過大可引發(fā)噪聲和電磁干擾等不良現(xiàn)象。產(chǎn)生換向火花的因素較多，常見于機械火花、電磁火花和化學火花。換向器表面質(zhì)量處理欠佳時，不僅促使電機產(chǎn)生機械火花，同時也影響碳刷與換向器表面氧化膜的形成。本文探討換向器表面車削方法和質(zhì)量要求以及相應(yīng)的檢驗方法。

1 概述

換向器出現(xiàn)偏心、直徑不均勻、凹凸等表面缺陷現(xiàn)象；換向器與碳刷接觸不良，換向器片存在毛刺，或片間留有銅屑造成片間短路，形成環(huán)火；換向器表面過于光滑，換向器表面氧化膜不易形成，都會引起火花[1]。為減少電動工具轉(zhuǎn)子在高速運動時產(chǎn)生上述原因引發(fā)的火花，有必要針對換向器圓度、換向器跳動、換向器片與片間的高低差、換向器表面粗糙度、表面錐度等方面進行控制，以提升電機使用壽命。

2 原因分析

2.1 原材料

1）換向器材料及零件加工精度。換向器外觀應(yīng)完整，工作表面應(yīng)為光滑的圓柱面，無裂紋、無毛刺、無殘余、無銹蝕等缺陷。電動工具用換向器銅排選用材料性能見表1。

表1 銅排材料性能

在實際運轉(zhuǎn)情況下，換向器表面溫度高達200℃～250℃，此狀態(tài)下含銀換向器的銅排硬度可達HB 110，提高了換向器在高溫高速使用狀態(tài)下的耐磨性，所以常選用含銀的銅材做換向片[2]。不同電機的轉(zhuǎn)速不同，對換向器含銀量的選擇也有所不同，換向器銅排含銀量的多少，影響著碳刷的選配。同時，轉(zhuǎn)速不同，所選配的碳刷也不同。

換向器銅排表面跳動應(yīng)滿足要求，跳動大，換向器表面無法全部車削，必須加大進給量或多次車削，除生產(chǎn)效率低外，換向器外徑減小也可導致電機壽命縮短。另外，換向器在實際加工過程中，由于生產(chǎn)工藝的缺陷，可能產(chǎn)生浮排現(xiàn)象，一般可通過精車換向器以消除火花[3]。

2） 軸原材料零件加工精度。車削換向器的精車機大多以支撐轉(zhuǎn)子軸承檔定位（較少采用頂針，是由于轉(zhuǎn)子軸熱處理后，或多或少會對軸端頂尖孔造成破壞。同時，轉(zhuǎn)子運行時以軸承檔定位），轉(zhuǎn)子軸承檔除外徑、粗糙度應(yīng)滿足要求外，圓度也應(yīng)滿足相關(guān)標準要求。

軸承檔圓度按產(chǎn)品不同，有不同要求，一般產(chǎn)品軸承檔圓度≤0.008 mm；質(zhì)量要求相對較高的產(chǎn)品軸承檔圓度≤0.004 mm。

2.2 轉(zhuǎn)子支撐架（V架）及傳動帶

換向器車削時，軸承檔支撐架通常制作成V架形式，要求：保持清潔無異物，自動注油潤滑；導軌座與被支撐工件軸心線平行度誤差≤0.02 mm，換向器車削后的圓度控制在0.004 mm內(nèi)，甚至更??；傳動帶摩擦驅(qū)動裝置具備可調(diào)的緩升加速和緩降減速制動功能；換向器精車前，調(diào)節(jié)V架距離以確保傳動帶所壓位置為轉(zhuǎn)子鐵芯的中間位置。

2.3 車加工設(shè)備精車機及加工精度

車削換向器表面的精車機需有足夠的剛度及穩(wěn)定性，電源電壓波動值為額定電壓±10%；切削調(diào)節(jié)量分辨力≤0.02 mm，且可以顯示；通過液壓阻尼調(diào)速裝置或伺服電機實現(xiàn)進給速度在0 mm/s～50 mm/s連續(xù)可調(diào)；精車后換向器外徑誤差≤0.02 mm；重復精車精度＜0.01 mm；精車后換向器同軸度誤差≤φ0.01 mm，工件的同軸度誤差≤φ0.005 mm；精車后換向器表面粗糙度Ra≤0.4μm。

2.4 刀具

換向器表面加工質(zhì)量的好壞直接影響著電機換向火花等級及電機的使用壽命，為了獲得滿意的換向器工作表面質(zhì)量，在相同的精車機和工裝夾具條件下，刀具起著決定性的作用。

換向器精車外圓用刀具材料的選用，應(yīng)從換向器工作面所需的表面質(zhì)量、尺寸、外形精度（表面粗糙度、圓度、跳動）、刀具壽命及刀具成本等方面綜合考慮。在精車換向器時，刀具材料采用合成金剛石（PCD）。合成金剛石是在高溫、高壓的條件下，將金剛石粉末通過鈷等金屬粉末按一定比例混合后，燒結(jié)而成的多晶體材料，具有高硬度、耐磨性好、傳導熱性強、熱膨脹系數(shù)低、刀刃鋒利等特點。金剛石微粒越小，硬度越高，PCD摩擦系數(shù)低，PCD刀刃與工件間產(chǎn)生的切削力小，刃部不易變形，使用壽命長。PCD與有色金屬的親和力小，加工表面質(zhì)量高。

正確選用刀具角度，可以提高刀具使用壽命、減小切削力，刀具主要角度如圖1所示。

圖1 刀具主要角度

圖1中，γ0為前角，前角角度大則切削刃鋒利，切削輕快，但前角過大時切削刃減薄變?nèi)?，散熱性性變差，刀具磨損速度加快，從而降低刀具的使用壽命。在實際車削過程中，前角通常取較大值。α0為后角，后角的主要作用是減少刀具后刀面與工件加工表面的摩擦，配合前角調(diào)整切削刃的鋒利和堅固程度。后角大，摩擦小，切削刃鋒利。但后角過大時切削刃變薄弱，散熱條件變差，刀具磨損速度加快。在確保加工質(zhì)量和刀具使用壽命的條件下，后角角度盡量取大值。

切削過程中刀具的實際切削角度即為工作角度。刀具安裝高度對前角和后角影響如圖2所示。

圖2 刀具安裝高度對前角和后角影響

圖2中，車削外圓時，刀尖與工件的回轉(zhuǎn)中心軸線等高，工作前角γ0e=γ0，工作后角α0e=α0；刀尖高于工件回轉(zhuǎn)中心軸線，工作前角γ0e＞γ0，工作后角α0e＜α0；相反，刀尖低于工件回轉(zhuǎn)中心軸線時，工作前角γ0e＜γ0，工作后角α0e＜α0。

刀尖高于工件回轉(zhuǎn)中心軸線時，前角增大、后角減??；刀尖低于工件回轉(zhuǎn)中心軸線時，前角減小、后角增大。

主偏角為基面中主切削刃與進給方向的夾角。主偏角主要影響切削層截面的形狀及切削分力，與副偏角一起影響已加工表面的粗糙度；副偏角具有減少副后刀面與已加工表面摩擦的作用。

主、副偏角減小，已加工表面的殘留面積高度降低，表面粗糙度降低。此時刀尖強度和散熱條件較好，可以延長刀具的使用壽命。但主偏角小，切削反作用力增大，當工件剛性較差時易變形，引起振動。主偏角對殘留面積影響示意圖如3所示，副偏角對殘留面積影響示意圖如圖4所示。

圖3 主偏角對殘留面積影響示意圖

圖4 副偏角對殘留面積影響示意圖

主偏角和副偏角的選用原則：切削時，不產(chǎn)生振動的情況下，常取小值?？紤]到換向器銅材的線膨脹系數(shù)大，車削時易產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生銅屑粘接，主偏角應(yīng)取小值，但綜合考慮到車削長度、振刀、刀刃材料等因素，主偏角常取大值。

刃傾角為切削平面中主切削刃與過刀尖基面之間的夾角。刃傾角主要影響刀頭強度和切屑的排出方向。刃傾角為負時，刀頭強度增大，切深抗力增加，易產(chǎn)生振刀現(xiàn)象，切屑排向已加工面，可能會破壞已加工表面。刃傾角為正時，刀頭強度變?nèi)?，切屑排出方向為未加工面?/p>

刃傾角的選擇原則：精加工時一般取正值，粗加工時可取負值；斷續(xù)切削時，一般取負值；工件剛性較好時，刃傾角可用大負值。車削換向器時，屬于斷續(xù)切削，可采用零度或小正刃傾角。

刀具的材質(zhì)和角度對精車有很大的影響，除此之外，刀具的角度也還要根據(jù)換向器含銀量的不同進行調(diào)節(jié)，不同含銀量的換向器韌性不同，切下的銅屑形狀不同，呈粒狀、條狀或片狀。

2.5 車削參數(shù)

為了保證換向器加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率，從切削深度考慮，應(yīng)按照從大至小的順序，不同的切削深度配合不同的切削速度進行，大切削深度時切削速度慢，表面粗糙度大（切削深度過大影響刀具使用壽命），小切削深度時切削速度快，可以獲得較小的表面粗糙度，進給量過大則表面粗糙度大。所以，切削速度、進給量與切削深度應(yīng)三者結(jié)合考慮。

通常情況下，車削時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350 r/min～600 r/min，切削速度為30 r/min～50 r/min，進給量為0.08 mm/r～0.15 mm/r，刀具徑向切削深度為0.01 mm～0.10 mm。

某些轉(zhuǎn)子換向器經(jīng)車削后，還應(yīng)關(guān)注單位長度上的刀紋數(shù)，精車后換向器表面單位長度與刀紋如圖5所示，左側(cè)線條是換向器精車后的條紋，右側(cè)為粗糙度儀測試。

圖5 精車后換向器表面單位長度與刀紋

圖5中，單位長度的波峰數(shù)由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和走刀速度決定，轉(zhuǎn)速越快、速度越慢，刀紋數(shù)（波峰數(shù)）越多。

按產(chǎn)品換向器表面所需的要求及生產(chǎn)效率，換向器表面一般車削2次，特殊情況也可車削更多次。刀具的使用壽命約為10 000次。為了保證換向器車削精度，連續(xù)車削3 000個換向器后必需更換或修復刀具，并對車削后的換向器重新進行質(zhì)量檢測。

3 質(zhì)量要求

精車時切下的銅屑，可用高負壓氣流及時吸走，避免粘黏在換向器表面或槽內(nèi)；車削后，用刷輪對換向器表面及槽內(nèi)再次檢查并清理，杜絕短路現(xiàn)象。實際作業(yè)中應(yīng)注意：

換向器表面應(yīng)保持紋路清晰、粗細均勻，不可存在銅屑、異物、傷痕；換向器片間不可有毛刺或銅屑粘黏，以免造成短路、引起轉(zhuǎn)子燒毀；換向器車削后工作面外徑和長度尺寸應(yīng)符合設(shè)計要求；換向器圓度≤0.008 mm，也有要求≤0.004 mm；換向器跳動≤0.013 mm。

換向器片與片間高低差≤0.002 mm，以避免碳刷在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生跳動，造成火花；換向器表面粗糙度太小，運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生異聲，反之碳刷磨擦過大，使用壽命縮短。除此之外，表面粗糙度欠缺同樣影響正常的氧化膜形成，從而產(chǎn)生換向火花。因此，應(yīng)結(jié)合不同工具匹配的碳刷，來選擇不同的粗糙度范圍。

換向器外圓上、下錐度≤0.03 mm，也有要求≤0.02 mm；

刀具角度一定時，在保證設(shè)計要求情況下，刀紋數(shù)越多越好，具體按設(shè)計要求進行加工。

4 檢驗方法

1）外觀檢查。換向器表面質(zhì)量可通過檢驗者直觀目視或利用放大鏡檢查。

2）尺寸及外形精度檢查。采用卡尺或投影對換向器車削外徑和長度檢查，同時，對鉤外觀和鉤尺寸進行檢查，杜絕精車時碰鉤現(xiàn)象；換向器表面錐度采用千分尺進行測量；表面粗糙度通過粗糙度儀進行測量，必要時對單位長度上的精車刀紋數(shù)進行確認；圓度、跳動及換向器片與片間的高低差通過圓度儀進行測量。

3）電氣檢查。（滴漆前）白坯，進行耐壓檢查、匝間沖擊檢查，片間電阻、焊接電阻檢查等，及時發(fā)現(xiàn)繞線、插槽楔、點焊、搬運過程中所引起的繞組損傷、換向器片間銅屑殘留等不良現(xiàn)象；（滴漆后）紅坯，進行耐壓檢查、匝間沖擊檢查，片間電阻檢查、焊接電阻檢查及絕緣電阻檢查，及時發(fā)現(xiàn)繞線、插槽楔、點焊、滴漆、精車換向器、動平衡及搬運過程中對繞組的損傷及換向器片間銅屑殘留等不良現(xiàn)象。

5 常見問題

1）換向器外觀不合格。換向器表面碰傷，應(yīng)避免物料周轉(zhuǎn)時發(fā)生磕碰；換向片上粘留銅屑，可使用刷輪進行清理；換向片紋路紊亂，重新調(diào)整相關(guān)參數(shù)進行精車。

2）車削長度、外徑不合格。刀具位置不正確。

3）換向器錐度不良。支撐架高度不正確、支撐架位置未調(diào)整到位。

4）換向器表面粗糙度不合格。刀具不鋒利、刀尖損壞，需更換鋒利的刀具；刀具角度和車削參數(shù)設(shè)計不合理。

5）換向器圓度不合格。轉(zhuǎn)子軸承檔欠佳，換向器工作表面有凹坑、碰傷等缺陷；轉(zhuǎn)子軸彎曲，切削深度隨軸彎變化，換向器在切削過程中運行不穩(wěn)產(chǎn)生振動；支撐架高度不正確、支撐架位置未調(diào)整到位、支撐架磨損、皮帶磨損、皮帶壓緊力不滿足要求或刀具磨損導致車削時切削力增加，銅排產(chǎn)生微變形。

6）片間電阻檢查不良。換向器槽內(nèi)有銅屑，刷輪清理后再測試，必要時進行調(diào)整刀具角度、車削參數(shù)。

為保證車削質(zhì)量，對刀具和設(shè)備要執(zhí)行定期更換和檢驗，更換后，對精車首件外觀、尺寸、錐度、粗糙度、圓度、耐壓、匝間等所有規(guī)格進行確認。

6 結(jié)語

針對影響換向器車削質(zhì)量的諸多因素，除了對換向器本身及軸材料進行管控外，還應(yīng)對精車機、刀具及車削參數(shù)進行管控，通過多方結(jié)合與優(yōu)化，確保換向器車削質(zhì)量，從而延長電機壽命，提高生產(chǎn)效率并降低加工成本。