汽車電機用換向器入軸開裂問題的探討

戢秀芬

（浙江長城換向器有限公司，浙江 溫州 325200）

1 換向器入軸開裂簡介

換向器是直流電機中的重要部件之一，它的品質(zhì)影響和決定著直流電機的使用及壽命。在直流電機生產(chǎn)過程中，入軸是重要工序，如果換向器內(nèi)孔與電機軸配合不良，則直接影響后工序。若配合松動，后續(xù)繞線時能發(fā)現(xiàn)；若有較大的換向器裂紋，在繞線、點焊、精車時能發(fā)現(xiàn)；若存在隱性裂紋，在后工序中不易發(fā)現(xiàn)，有部分到電機最終噪聲測試時會發(fā)現(xiàn)，有部分可能到顧客使用時才會發(fā)現(xiàn)。品質(zhì)隱患大，不容忽視。

降低換向器入軸開裂是換向器設(shè)計制造和電機制造中的一個重要點?？梢酝ㄟ^優(yōu)化換向器產(chǎn)品和工藝設(shè)計增加換向器的入軸性能，通過模擬電機入軸過程進行測試，以驗證設(shè)計性能是否達到要求；可以改善電機制造過程，預(yù)防換向器開裂。

換向器的入軸性能，目前還沒有準(zhǔn)確實用的計算方法，由于換向器的結(jié)構(gòu)形狀不斷改變，模塑料選型也多樣化，各生產(chǎn)廠家依據(jù)模塑料供應(yīng)商推薦的使用范圍選擇合適的模塑料，生產(chǎn)樣品供顧客測試，根據(jù)顧客反饋進行調(diào)整，最終確定產(chǎn)品圖樣和工藝過程，組織批量生產(chǎn)。

本文從換向器設(shè)計、加工工藝、過程控制方面改善換向器性能，從換向器入軸過程方面控制改善，降低換向器開裂風(fēng)險。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計改進

換向器的外形結(jié)構(gòu)，如：鉤形、槽形等均已由顧客圖紙給定，包括外形尺寸。本文重點討論換向片的設(shè)計，就插片結(jié)構(gòu)而言，一般采用燕尾型，鉤部沖成型和未成型兩種。性能要求高的起動電機因轉(zhuǎn)速高、功率大，且銅片一般較厚，過去一直采用長方形狀設(shè)計（圖1），車削余量大，難加工、銅材消耗大，被淘汰的較多。性能要求一般的采用冷擠壓工藝成型，要求高的則采用7字形結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖2）。

圖1 長方形結(jié)構(gòu)換向片

圖2 7字型結(jié)構(gòu)換向片

7字形結(jié)構(gòu)設(shè)計用料省，外圓加工余量（單邊車削余量）大大減少。現(xiàn)就同一規(guī)格型號的產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn)：銅材使用減少30%，單邊車削余量減少5.7 mm。同規(guī)格換向器進行過盈量試驗的實測結(jié)果見表1。

3 模塑料合理選擇

目前生產(chǎn)換向器用模塑料，最具代表性的有日本生產(chǎn)的PM系列、CN系列、CP系列、RX系列，國產(chǎn)的有WH系列、AL系列、JM系列。以上的模塑料，不論日產(chǎn)還是國產(chǎn)，均各有特征，能滿足不同類型、不同檔次的換向器生產(chǎn)。在選擇模塑料時，可根據(jù)換向器的使用要求，對比價格和性能，選擇合適的模塑料。例如，在同等價格和檔次下，CN系列比PM系列的韌性相對要好，但在去除廢料時會比較困難，對模具精度要求較高，選擇時要根據(jù)公司工藝和模具水平進行取舍。

具體情況可在開發(fā)樣品時，根據(jù)原材料廠家提供的材料特性數(shù)據(jù)表對比選擇，并采用幾種模塑料同時生產(chǎn)，對比模塑料的生產(chǎn)工藝性和性能，做過盈量測試驗證。

選擇外徑15.1 mm、內(nèi)徑8 mm、高度13 mm、8片搖窗電機用換向器，在同樣生產(chǎn)條件下，PM6630材料的入軸性能優(yōu)于PM6432材料，PM6432材料的入軸性能又優(yōu)于PG6559材料。

表1 同規(guī)格換向器過盈量試驗的實測結(jié)果

4 制定固化曲線

同種產(chǎn)品、同種模塑料、同副模具、同時生產(chǎn)、同樣的機加工方法，影響入軸性能最大的是固化的溫度和時間。一般來講，固化的溫度越高、時間越長，入軸性能越差。換向器要取得好的品質(zhì)穩(wěn)定性，固化是最大的因素，起著排出水分和氣體，固定性能的重要作用，設(shè)定固化工藝過程至關(guān)重要。要考慮溫度、升溫時間、保溫時間、冷卻時間及裝箱數(shù)，重要的是需評估顧客對入軸性能、點焊性能、耐溫性能等機械和其它電氣性能的綜合要求，取最優(yōu)的固化工藝，滿足顧客要求。固化工藝曲線如圖3所示。

在其它條件不變的情況下，對同一型號的換向器固化工藝進行調(diào)整，對比調(diào)整前和調(diào)整后的過盈量，實測結(jié)果見表2（包括其它相關(guān)性能）。

5 壓模保溫性和穩(wěn)定性

舊工藝采用移動式壓塑模生產(chǎn)，在壓制過程中模具是活動的，模塑料直接放在模筒里通過上、下壓頭閉合成形，因模溫不穩(wěn)定、跑料和熔融時間不易控制，產(chǎn)品內(nèi)部模塑料易產(chǎn)生熔融不好、填充不實、強度不足等缺陷，過盈量較低，不能滿足顧客使用要求。壓塑缺陷類型如圖4所示。

改進壓模保溫性，將移動模改為固定模，確保上、下模模溫穩(wěn)定。有2塊中模的，采用中模保溫方式，解決了模溫不穩(wěn)定造成的影響；同時解決了在移動過程中，料室注口碰傷、注口大小不一致、模塑料流入模腔的量有差異而導(dǎo)致個別產(chǎn)品填充不好等問題，使品質(zhì)穩(wěn)定性得到保證。

圖3 固化工藝曲線

圖4 壓塑缺陷類型

采用自動推拉模壓注方式，將上、下模固定，只移動中模上、下料，模溫穩(wěn)定，注料口不會碰變形，模塑料通過上模從注口注入成型，控制模具溢料，提高產(chǎn)品充填的致密性，確保過盈量一致，解決了產(chǎn)品入軸開裂不良。自動推拉模模具如圖5所示。

圖5 自動推拉模模具

6 加工過程控制

換向器從成型開始，每個加工過程都需要嚴(yán)格控制，依據(jù)歷史經(jīng)驗和現(xiàn)有的加工方式、設(shè)備工模，通過做好潛在失效分析及對策，防止加工過程造成隱性裂紋入軸時開裂。

1）保證壓模模架定位垂直、壓機水平，防止產(chǎn)品脫模時內(nèi)孔被拉裂或存在細小裂紋。

2）保證車內(nèi)孔內(nèi)脹芯軸的氣缸氣壓，防止氣壓過大造成內(nèi)孔頂裂或存在隱性裂痕。

3）保證彎鉤成型限位彈簧位置恰當(dāng)，防止位置過低壓壞產(chǎn)品或造成隱性內(nèi)傷。

對于模塑料脆性大的產(chǎn)品，要防止外力碰撞和高處跌落。因其韌性不足易產(chǎn)生細裂紋造成隱性傷痕難發(fā)現(xiàn)，會影響入軸性能。

7 入軸過程

確保定位面水平且芯軸垂直入軸；確保芯軸尺寸符合設(shè)計和圖紙要求；對于軋筋的芯軸，需確保筋的鋒利，防止入軸的切入力變成擠壓力。

8 結(jié)語

新開發(fā)或改型時，在滿足使用性能的前提下，盡可能采用7字型或冷擠壓工藝，對性能要求不高的產(chǎn)品采用銅皮結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，對性能要求稍高的插片結(jié)構(gòu)換向器可采用鉤直接沖成型或塑料殼工藝使槽直接成型，減少加工工序，降低開裂隱患。壓制和固化工序，需合理選擇工藝。各工序生產(chǎn)過程中，需依據(jù)產(chǎn)品特性做好防護、控制及工藝參數(shù)選擇、工裝等優(yōu)化，防止隱性裂紋的發(fā)生。

附錄：過盈量測試方法：為了確定換向器的最大壓爆力和從剛開始壓入到初始開裂所走過的距離，需要用一根1∶500錐度軸，以50 N 500 mm/min的速度壓入內(nèi)孔，直到出現(xiàn)初始開裂（下滑力）。測試結(jié)果會采用圖表（圖表上會記錄內(nèi)孔開裂時所走過的距離和力的大?。┑姆绞斤@示出根據(jù)類型，最終結(jié)果需滿足圖紙上規(guī)定的要求。