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)子的斷條問題，利用芯軸扭斜鍵較理想地完成了對轉(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，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因鼠籠轉(zhuǎn)子無繞組，所以轉(zhuǎn)子無需維護(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)會出力不足、電流增大并出現(xiàn)周期性擺動、轉(zhuǎn)速下降，惡性循環(huán)下會導(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)長度的細(xì)鉛絲一端穿過記號槽，另一端穿過最接近記號槽的導(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固定，鉛絲又隱藏在記號槽的45 o尖角內(nèi)，不會與扭斜螺旋鍵發(fā)生干涉。

圖1：鑄鋁轉(zhuǎn)子簡圖

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（槽部磁阻相對齒部大），使反電勢中含有齒槽諧波。當(dāng)轉(zhuǎn)子采取斜槽后，能有效遏制齒槽諧波磁場所產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩，使電磁振動和噪聲獲得降低。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（注意將槽口對準(zhǔn)沖片內(nèi)孔  記號槽），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)子壓鑄模基本可分為二種結(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式壓鑄模具，其缺點(diǎn)是勞動強(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)渥詣訑酀部诘男读习鍣C(jī)構(gòu)，極大降低了勞動強(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模回程力驅(qū)動的卸料板卸料機(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拉動卸料套筒5（共4個(gè)），則卸料套筒5拉動卸料板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)縮動壓力的傳遞能力，收到較好的效果。

（3）針對開口槽轉(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

在轉(zhuǎn)子壓鑄過程中，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