精密儀表馬達(dá)定子鐵芯疊片高可靠膠接工藝

張 紗，李彥博，王 鵬，郝 晨

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

某型精密馬達(dá)是慣性儀表中的重要組成部分,其定子、轉(zhuǎn)子間隙只有幾個(gè)微米,其運(yùn)轉(zhuǎn)性能的好壞直接影響著慣性儀表的測量精度和使用壽命。為降低渦流損耗帶來的發(fā)熱現(xiàn)象,馬達(dá)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯疊片間采用絕緣膠連接,但該型馬達(dá)定子鐵芯疊片間膠層厚度不足0.02mm,要求必須能夠承受較強(qiáng)的機(jī)械加工應(yīng)力和溫循過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力,這就要求馬達(dá)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯疊片間具有較強(qiáng)的粘接強(qiáng)度和粘接可靠性。否則,馬達(dá)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯開裂后產(chǎn)生的極微量多余物就會(huì)在定子、轉(zhuǎn)子之間聚集,嚴(yán)重時(shí)造成馬達(dá)卡死、儀表工作異常等質(zhì)量問題。

軟磁合金具有較小的矯頑力、較大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率等特性,是精密儀表電磁元件常選用的磁性材料[1-3]。但是,軋制出來的軟磁合金帶材通常表面十分光滑,這對(duì)于定子鐵芯疊片粘接不利,很容易在后期造成片間開裂。因此,必須提高軟磁合金疊片間的粘接強(qiáng)度和可靠性。

表面清洗[4-6]、表面等離子處理[7-8]以及偶聯(lián)劑[9]的使用是提高環(huán)氧膠與金屬之間粘接強(qiáng)度的主要方法,本文通過在軟磁合金表面清洗、偶聯(lián)劑應(yīng)用等方面開展相關(guān)技術(shù)研究,并結(jié)合機(jī)械加工驗(yàn)證結(jié)果,提出了適用于某型馬達(dá)定子鐵芯疊片高可靠粘接的工藝方法。

1 鐵芯疊片膠接試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)所需的原材料主要為軟磁合金帶材表面清洗溶劑、軟磁合金帶材表面預(yù)處理試劑及鐵芯膠接膠液,上述材料標(biāo)準(zhǔn)或生產(chǎn)廠家如下:

1)清洗液CT-208A,深圳天躍化學(xué)工業(yè)有限公司；

2)硅烷試劑KH-550,南京創(chuàng)世化工有限公司；

3)無水乙醇、冰醋酸(均為分析純),北京化工廠；

4)KH-225膠液,Q/HDKM7001-2009。

1.2 馬達(dá)鐵芯疊片的制作

馬達(dá)鐵芯疊片的制作流程如圖1所示,具體為:

圖1 鐵芯疊片制作流程圖Fig.1 Production flowchart of core sheets lamination

1)清洗:在自來水中將熱處理后的疊片表面殘留的氧化鋁粉洗掉,然后使用丙酮或CT-208清洗劑對(duì)疊片表面進(jìn)行清洗(或借助超聲波清洗機(jī)),最后將清洗后的疊片在鼓風(fēng)干燥箱中干燥；

2)配膠:按照膠液配置比例稱取A組分膠液,解熱至100℃并攪拌2min,然后按比例稱取B組分膠液,攪拌至均勻；

3)涂膠:將配制好的KH-225膠液均勻涂抹在疊片表面,放置于專用工裝上；

4)疊壓及固化:疊壓成型并在120℃固化3h。

1.3 檢測與分析

試驗(yàn)過程中對(duì)清洗效果、粘接效果、膠液固化程度等進(jìn)行檢測,具體檢測項(xiàng)目如表1所示,具體檢測方法如下:

表1 檢測分析項(xiàng)目列表Table 1 List of test and analysis items

1)使用德國OCA25視頻光學(xué)接觸角測量儀對(duì)環(huán)氧膠液在軟磁合金疊片表面的接觸角進(jìn)行測量；

2)使用濟(jì)南中路昌電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的軟磁合金國標(biāo)試樣(GB/T 7124-2008)的粘接強(qiáng)度進(jìn)行檢測；

3)使用數(shù)字式電子彈簧秤對(duì)定子鐵芯疊片的撕開力進(jìn)行檢測；

4)使用舜宇恒平FA-2014電子分析天平對(duì)膠樣的揮發(fā)性進(jìn)行檢測和分析。

2 檢測結(jié)果與討論

2.1 馬達(dá)定子鐵芯疊片線切割開裂機(jī)理分析

鐵芯疊片組件線切割采用的是慢走絲工藝,由于是在水浴環(huán)境,通過對(duì)比試驗(yàn)研究了水浴環(huán)境對(duì)疊片間粘接力的影響,具體如表2所示。可以看出,疊裝后的馬達(dá)定子鐵芯疊片在自然通風(fēng)環(huán)境下疊片間的撕開力在6kg左右。但在室溫下浸泡60h后,粘接強(qiáng)度下降明顯,撕開力下降到3.9kg,下降了35%左右。再將浸水后的試件在120℃加熱1h,剩余疊片的撕開力又恢復(fù)到6kg以上。這一結(jié)果表明,水或者濕氣能夠明顯降低疊片間的粘接強(qiáng)度。

表2 水對(duì)馬達(dá)定子鐵芯疊片間撕開力大小的影響Table 2 Effect of water on the tear strength between motor stator core sheets

線切割過程中,金屬線與鐵芯疊片間通過放電作用產(chǎn)生電火花,通過電火花的能量將金屬線周圍的金屬熔掉,實(shí)現(xiàn)零組件成型。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)對(duì)比分析,線切割過程產(chǎn)生的高濕熱環(huán)境不但會(huì)降低疊片間的粘接強(qiáng)度,還會(huì)因?yàn)榫植窟^熱膨脹產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的撕開作用力,如圖2所示。如果鐵芯疊片間的粘接強(qiáng)度低于該作用力,鐵芯疊片將會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象。

圖2 馬達(dá)定子鐵芯疊片線切割開裂過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of cracking process between motor stator core sheets

2.2 表面清洗方法對(duì)疊片間粘接強(qiáng)度的影響

表3為清洗方法對(duì)疊片粘接強(qiáng)度的影響。可以看到,傳統(tǒng)有機(jī)溶劑(酒精或丙酮)清洗疊片表面后會(huì)有溶劑殘留,粘接后的鐵芯疊片撕開力在6.5kg以下。使用CT-208A清洗劑清洗的疊片表面無溶劑殘留,疊片間撕開力達(dá)到8kg以上,比傳統(tǒng)溶劑清洗方法提高了20%以上。如圖3所示,在此基礎(chǔ)上再借助超聲波清洗,疊片間撕開力可以提高到9kg以上,比傳統(tǒng)溶劑清洗提高了38%以上。疊片間撕開力提高的原因主要是疊片表面潔凈,無溶劑殘留,疊片表面能夠更好地與環(huán)氧膠接觸,提高了兩者的化學(xué)結(jié)合程度。

表3 清洗方法對(duì)疊片間粘接強(qiáng)度的影響Table 3 Effect of cleaning methods on bonding strength between sheets

圖3 疊片的超聲波清洗及其撕開力測試Fig.3 Diagram of sheet samples ultrasonic cleaning and their tear strength tests

2.3 偶聯(lián)劑添加對(duì)馬達(dá)鐵芯疊片的影響

(1)粘接強(qiáng)度

偶聯(lián)劑是一種常用的膠黏劑助劑。為提高鐵芯疊片間的粘接強(qiáng)度,在KH-225膠液中添加了KH-550偶聯(lián)劑,粘接強(qiáng)度測試(GB/T 7124-2008)結(jié)果如表4所示。

表4 偶聯(lián)劑添加量對(duì)室溫剪切強(qiáng)度的影響Table 4 Effect of coupling agent addition on bonding strength

可以看出,不添加偶聯(lián)劑時(shí),室溫下的軟磁合金粘接強(qiáng)度只有17.3MPa；添加量為0.5%時(shí),軟磁合金粘接強(qiáng)度提高到了19.3MPa；添加量為1%時(shí),軟磁合金粘接強(qiáng)度達(dá)到22.1MPa,提高了27%左右。此后,隨著偶聯(lián)劑添加量的增大,軟磁合金粘接強(qiáng)度逐漸降低。

圖4為粘接破壞后的軟磁合金表面光學(xué)顯微照片。不添加偶聯(lián)劑時(shí),粘接破壞后,環(huán)氧膠層基本都附著在軟磁合金的其中一個(gè)粘接面上；添加KH-550后,粘接破壞面兩側(cè)都有殘膠。這說明不使用偶聯(lián)劑時(shí),在外力作用下,破壞首先發(fā)生在軟磁合金與環(huán)氧膠的界面處,其粘接強(qiáng)度較差；添加少量偶聯(lián)劑后,粘接破壞發(fā)生在軟磁合金之間的膠層本體,由于膠層本身具有較高的內(nèi)聚能,需要在較強(qiáng)的外力作用下才能產(chǎn)生粘接破壞。

圖4 剪切破壞后的試樣表面狀態(tài)Fig.4 Morphology of samples surface after shear failure

(2)操作時(shí)間

凝膠時(shí)間測試過程選用塑料小杯作為容器,在55℃環(huán)境下攪拌均勻后開始計(jì)時(shí),當(dāng)膠液顏色明顯發(fā)白、黏度急增時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,每隔相應(yīng)的時(shí)間記錄下膠液狀態(tài),詳細(xì)檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 偶聯(lián)劑添加量對(duì)KH-225凝膠時(shí)間的影響（55℃）Table 5 Effect of coupling agent addition on KH-225 gel-time under 55℃

55℃環(huán)境下,偶聯(lián)劑添加量低于1%時(shí),環(huán)氧膠的凝膠時(shí)間能達(dá)到140min,與不添加偶聯(lián)劑的凝膠時(shí)間相當(dāng)。只有當(dāng)偶聯(lián)劑的添加量達(dá)到1.5%以上時(shí),凝膠時(shí)間會(huì)縮短到120min以內(nèi),可以認(rèn)為偶聯(lián)劑KH-550添加量在0.5%～1.5%之間時(shí)不會(huì)對(duì)膠液的操作時(shí)間產(chǎn)生明顯影響。

(3)揮發(fā)性

為評(píng)價(jià)膠樣的揮發(fā)性和穩(wěn)定性,將不同偶聯(lián)劑添加量的膠樣放置在100℃的真空干燥箱內(nèi),在抽真空環(huán)境下進(jìn)行膠樣出氣試驗(yàn)。每天使用高精度分析天平(精度為0.1mg)稱重并記錄數(shù)據(jù),試驗(yàn)周期為10天,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制膠樣失重曲線,如圖5所示。

圖5 偶聯(lián)劑添加量對(duì)膠樣失重率的影響Fig.5 Effect of coupling agent addition on sample weight loss rate

偶聯(lián)劑添加量為0.5%時(shí),膠樣的揮發(fā)性得到明顯降低,10天后的揮發(fā)性僅為0.105%,低于純環(huán)氧膠的0.156%,并且整體穩(wěn)定性好于環(huán)氧膠。偶聯(lián)劑添加量為1%時(shí),膠樣的揮發(fā)性開始增強(qiáng),但10天后的揮發(fā)性(0.150%)仍低于純環(huán)氧膠,仍保持了較好的穩(wěn)定性。偶聯(lián)劑添加量為1.5%時(shí),膠樣的揮發(fā)性開始明顯增強(qiáng),10天后的揮發(fā)性達(dá)到了0.404%,穩(wěn)定性也顯著降低。偶聯(lián)劑添加量再增加時(shí),膠樣揮發(fā)性能不再顯著變化。

硅烷偶聯(lián)劑作為一種助劑,只適合少量的添加。在1%以內(nèi)的添加量范圍內(nèi),硅烷偶聯(lián)劑可以使環(huán)氧膠固化時(shí)形成更好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高了大分子固化產(chǎn)物的占比,膠樣的揮發(fā)性得以降低。添加量大于1%后,大量的偶聯(lián)劑分子與環(huán)氧樹脂分子結(jié)合,形成了較多的低分子產(chǎn)物,由于低分子產(chǎn)物更易揮發(fā),膠樣的揮發(fā)性和穩(wěn)定性變差,這也是偶聯(lián)劑添加量高于1.5%時(shí)膠樣穩(wěn)定性變差的直接原因。結(jié)合圖5的測試結(jié)果,硅烷偶聯(lián)劑KH-550添加量不宜高于1%。

2.4 應(yīng)用驗(yàn)證

將表面清洗工藝(超聲清洗+CT-208A清洗劑)和偶聯(lián)劑KH-550(添加量為1%)應(yīng)用于馬達(dá)鐵芯疊片組件的膠接過程,并經(jīng)線切割工序?qū)嶋H驗(yàn)證。如表6所示,改進(jìn)后馬達(dá)疊片間撕開力從6kg提高到12.2kg,提高了約103%,疊片間抵抗開裂能力顯著增強(qiáng)。線切割馬達(dá)定子鐵芯疊片組件20件均無開裂現(xiàn)象,遠(yuǎn)高于以前工藝過程的合格率(約 40%)。

表6 應(yīng)用驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果Table 6 Comparison results of application verification

3 結(jié)論

本文針對(duì)某型精密儀表馬達(dá)定子鐵芯生產(chǎn)過程中存在的疊片粘接質(zhì)量差、線切割合格率低等問題,在線切割開裂機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,完成了疊片表面清洗劑、清洗方法以及偶聯(lián)劑添加對(duì)鐵芯疊片粘接質(zhì)量的影響研究,形成的結(jié)論如下:

1)軟磁合金疊片表面使用CT-208A清洗劑并采用超聲清洗方式可以有效清除表面污物并且無溶劑殘留,可以明顯提高疊片間的粘接強(qiáng)度；

2)在KH-225膠中添加1%的KH-550偶聯(lián)劑可以顯著提高疊片間的粘接強(qiáng)度,并且不會(huì)影響膠液的操作時(shí)間和膠樣的揮發(fā)性；

3)將CT-208A清洗劑、超聲清洗方法以及偶聯(lián)劑添加應(yīng)用于某型精密儀表馬達(dá)定子鐵芯疊片膠接工藝后,線切割合格率可以提高到98%以上。