一种永磁材料复杂曲面的加工装置和工艺方法_饶佩明.pdf
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1、收稿日期:2022-06-04第一作者简介:饶佩明,男,1966年生,高级工程师。永磁材料在永磁同步发电机领域,如航空航天发电机、风力发电机、水利发电机、核能发电机等得到广泛应用。近年来,随着核电能源的快速发展,永磁材料的应用和需求更加广阔,伴随而来的是对发电机组核心部件-磁性电机转子的制造提出了更高的要求。永磁同步发电机的转子按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系,分为切向式、径向式、轴向式和混合式四种。本文所述核能发电机转子类同永磁同步发电机的径向瓦片形永磁转子磁路结构1(图1)。常用的永磁材料有铁氧体、钕铁硼、钐钴、铝镍钴等。钕铁硼(N38SH)永磁材料拥有高剩磁、高矫顽力、高磁能积
2、和高性价比、可加工成形等优势,是目前发展最迅速、应用最突出的磁铁产品。钕铁硼主要成分为Nd2Fe14B,化学稳定性欠佳,热稳定性较差,冲击和机械震动都会产生不可逆退磁,或称失磁2。此外,核能发电机转子对磁环片的形状尺寸精度、曲面精度和表面质量要求更高,而且扇形弧面厚度、极弧宽度和表面质量都会对空载漏磁系数、利用率、气隙磁场和转矩等产生影响。这些技术要求都会增加金属切削机床加工永磁材料的难度。一种永磁材料复杂曲面的加工装置和工艺方法饶佩明,徐维安(江苏冬庆数控机床有限公司,江苏泰州225300)摘要:永磁材料的应用和需求空前广阔,因其硬而脆的固有特性,对于零件复杂曲面和成形加工来讲,采用常规金属
3、切削机床通过刀具加工已难以实现,已成为当前规模化生产所面临的亟待解决的突出问题。为此,提出了新的思路和解决途径,介绍了关键结构装置、核心技术、工艺方法以及研究成果和应用前景。关键词:磁性材料;复杂曲面;成形加工中图分类号:TG661文献标志码:A文章编号:1009279X(2023)S10025-07A Processing Device and Process Method for Complex Curved Surface ofPermanent Magnet MaterialRAO Peiming,XU Weian(Jiangsu Dongqing CNC Machine Tool C
4、o.,Ltd.,Taizhou 225300,China)Abstract:The application and demand of permanent magnetic materials are unprecedentedlybroad.Due to their inherent characteristics of brittleness and hardness,for the complex surface andforming processing of parts,the use of conventional metal cutting machine tools canno
5、t be usedanymore,has become the current large-scale production,to be solved,for this topic,the solutions andresearch direction are proposed,and the research results and application prospects of key structuraldevices,core technologies and process methods are introduced in this research article.Key wo
6、rds:permanent magnet material;complex surfaces;forming process套环外磁环非磁性材料内磁环(转子轭)转轴图1径向瓦片形永磁体转子磁路结构NSNSSSNN电火花加工电加工与模具2023年增刊125(a)内、外磁环结构(b)单片磁环图3磁环结构示意图因此,提高永磁材料曲面零件加工精度、实现高效率、规模化生产成为核电配套生产所面临和亟待解决的突出问题。要解决前述技术难题,行之有效的途径之一就是采用五轴联动数控往复走丝电火花线切割机床,配合曲面切割加工专用旋转装置及相应的工艺技术完成磁环片的切割加工3。1加工设备的选型数控往复走丝电火花线切割
7、机床是我国独有的电火花加工机床,在加工机理、工艺及装备技术等方面具有独创性4,因其具有数控编程控制、电火花放电加工、上下异形、复杂曲面、高效切割、不受超大工件限制和使用成本低等优势,已成为超硬材料、高精零件和模具加工必不可少的装备之一,广泛用于大型零件、精密零件、模具、硬质合金及超硬材料的切割。由于电火花线切割放电加工是由电极丝通过高频脉冲电源控制,沿着预先编程的轨迹与工件进行非接触放电,并利用放电通道中瞬间形成的高温熔化或气化产生电腐蚀现象,继而蚀除金属材料的加工过程5,选用往复走丝电火花线切割机床来加工,可充分发挥电火花放电加工以柔克刚的独特优势,非常适合加工永磁材料,可规避永磁材料零件在
8、金属切削加工过程中受装夹、冲击、震动影响以及刀具高速磨损等难题。本研究选用DK7732ZA数控往复走丝电火花线切割机床,其X、Y轴行程为320 mm400 mm,U、V轴行程为70 mm70 mm,加工件的最大尺寸为420 mm720 mm400 mm,最大切割锥度为6,最大承载重量400 kg,电极丝直径为0.18 mm。该机床主要加工指标为:加工精度0.015 mm、切割效率120 mm2/min、表面粗糙度Ra2.5 m。工件材料是尺寸为180 mm42 mm38 mm的长方体钕铁硼(N38SH)坯料。2磁环片切割专用旋转装置本研究的工件是由内、外两层磁环拼接而成的碗状组件。根据被加工零
9、件的主要工艺指标要求和测试方法5-6,本研究专门设计和研制了磁环片切割专用旋转装置。图2是专用旋转装置与电火花线切割机床的安装示意。2.1工件特征及技术要求工件是磁性转子结构中的内、外两组扇形磁环片,每组8片。如图3所示,工况特性和充磁方向决定了内磁环和外磁环不能组合为一个完整的锥环,而是呈现出由8个单片拼装而成的双层碗状结构。工件主要技术指标是:每个单片的曲面和截面的厚度尺寸精度和尺寸一致性均0.02 mm、表面粗糙度Ra2.5 m;拼装接缝间隙0.02 mm,拼接后的大、小端口直径误差0.05 mm。此外的要求还有:单件成品分别采用内、外片检具进行检测;内、外两组磁环片同轴安装后,其角度、
10、弧面、厚度尺寸的吻合程度应符合磁性转子的相关要求。2.2专用旋转装置的设计和安装根据工件的特征及要求,本研究选用“4+1”结构的往复走丝电火花线切割机床,即由X、Y、U、V四轴联动,但已满足不了加工需求。从平面体到曲面体的零件切割过程比较复杂,为简化工艺路线、提高数控化加工效率并减少零件一致性误差,实际(a)正视角度(b)侧视角度图2专用旋转装置与电火花线切割机床安装示意工件加工钼丝工作台主机床身VU磁环片切割专业旋转装置YYXZ贮丝筒机床下线架机床上线架机床锥度装置AVUZXYX外磁环内磁环磁性方向磁性方向电加工与模具2023年增刊1电火花加工26加工时必须增加一个旋转轴(A轴)的控制。由此
11、机床具备旋转及分度定位的功能,才能实现在同步旋转状态下的切割,满足曲面加工特性要求。因此,本研究设计了由伺服控制、具有数控旋转功能的磁环片切割专用旋转装置。2.2.1设计思路本研究以数控转台作为A轴旋转主驱动,在数控转台台面上设计安装辅助夹具和工位旋转盘,这两者组合后构成磁环片切割专用旋转装置;再将该装置安装在机床工作台面上,配合机床的平面坐标轴,实现旋转切割功能。本研究选用了TK13160E型数控转台,其工作台面直径为160 mm、分度精度为40、转动范围为0180、立式承载量为50 kg。2.2.2A轴结构与组成A轴装置由辅助夹具、工位旋转盘、进电组件、数控转台和数控转台安装座等部分组成;
12、工位旋转盘安装于数控转台台面上,并与转台保持同轴,两组部件之间通过绝缘座绝缘。工位旋转盘和数控转台整体以侧卧式的形式固定在转台安装座的斜面上,再将专用旋转装置整体安装于机床工作台右侧,与工作台面形成45夹角,并通过数控定位找正,以保证切割基准平面与工位旋转盘轴心重合,从而使被切割工件的曲面均以此为旋转轴线,最后通过锁紧块锁紧在机床工作台上。另外,辅助夹具定位基准面与机床工作台面平行、与放电钼丝方向垂直;工件和辅助夹具均通过锁紧压板固定在工位旋转盘的定位面上。专用旋转装置见图4、图5。2.2.3工位旋转盘工位旋转盘分为上、下两部分。其中,上部为金属夹具体,包括辅助夹具、工位旋转盘和旋转盘底座,通
13、过螺钉、辅助夹具可锁紧工件;下部为绝缘座,确保金属夹具体与转台之间完全绝缘,起到阻隔高频能量损失的作用。绝缘座的其中一面设计有定位孔,用于与金属夹具体定位连接,另一面设计有一个中心定位凸台,用于与转台中心基准孔配合连接。工位旋转盘是以螺钉连接方式固定在转台台面上;金属夹具体的大外圆面为电能输入极,与进电组件的电刷接触,起到馈电作用(图6)。2.2.4进电组件进电组件是两组呈八字形对称结构的钳爪和电刷(石墨),由进电座、导电柱、钳爪、电刷和弹簧组成。脉冲电源正极通过电缆与两侧的导电柱连接,钳爪带动电刷与工位旋转盘底部的大外圆面紧密接触,电能经导电柱、碳刷和工位旋转底盘传输到工件,以实现很好的馈电
14、效果。弹簧起到自动调节的作用,可保持电刷四点对称、接触和磨损均匀以及加载电流的均衡(图7)。2.2.5工位旋转盘的工作原理(1)通过操作界面手动操作数控转台,使工位旋转盘的定位面处于水平位置,通过机床的锥度装置分别参照工位旋转盘的定位面和侧基准对钼丝进行垂直度校正,通过辅助夹具将工件(磁环片)安图4磁环片切割专用旋转装置结构简图图5磁环片切割专用旋转装置组合图工件定位基面放电钼丝下线架机床工作台辅助夹具工位旋转盘绝缘座数控转台转台安装座机床工作台转台安装座数控转台进电组建工位旋转盘辅助夹具图6工位旋转盘结构简图辅助夹具工位旋转盘旋转盘底座定位面定位凸台绝缘座侧基准2侧基准1侧锁紧螺钉侧压块电刷
15、接触面电火花加工电加工与模具2023年增刊127图7进电组件结构简图工位旋转盘底座电刷(石墨)钳爪导电柱进电座绝缘座弹簧数控转台装在工位旋转盘的定位面上,使坐标移动至切割起始位置,按照事先编制好的加工程序进行放电切割。在切割过程中,工位旋转盘带动工件作旋转运动,机床的X、Y、Z、U、V轴作水平位移运动,通过五轴联动控制完成磁环片复杂曲面的切割加工。(2)执行完成单个工件的切割程序后,系统会自动报警暂停,此时,可保持辅助夹具不变,只需更换下一个工件即可。(3)随着运行时间的加长,电刷会慢慢磨损,钳爪前端会在弹簧的作用下自动收紧、紧贴触点,直至磨损到电刷的根部,此时更换电刷即可。3复杂曲面磁环片切
16、割工艺方法构成内、外两层碗状磁环的单片见图8。由于磁性转子结构特殊,单片磁环的加工、组装后每片之间的吻合程度、曲面环状精度等成为加工工艺的难点和关键。由于钕铁硼分子结构存在硬而脆的固有特性7-8,如采用常规的先金属铣削再磨削的工艺路线,难以解决刀具、工装方面的问题,在装夹和加工过程中难免产生磁体剥落、开裂甚至断裂且难以保证零件质量,效率和成品率也会大幅降低9。为此,本文研究了适合扇形曲面磁环片的切割工艺路线。3.1工艺路线简述为便于加工,将磁环片坯料制成长方形条状,将加工的工艺路线分为三阶段,第一阶段是从坯料到内、外磁环片单件半成品加工;第二阶段是内、外磁环片单件成品加工;第三阶段是内、外磁环
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