Технологическое обеспечение точности формы контактной поверхности коллектора электродвигателя

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Емельянова И.В. Анализ и синтез приводов подач токарных станков с ЧПУ с целью повышения точности обработки / Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08;05.03.01. Самарский гос. техн. ун-т. Самара, 1995. 23 с.

2. Корячко В.П. Теоретические основы САПР. М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Клюев A.C. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М.: Энер-гоиздат, 1982.

4. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 512 с: ил.

УДК 621.7

ТА. Дуюн

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ФОРМЫ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Повышение качества и надежности машин — первоочередная задача машиностроения. Надежность электрических машин постоянного тока во многом определяется надежностью щеточно-коллекторного узла, одного из наиболее ответственных узлов коллекторных машин. Коммутации в скользящем контакте щеточно-коллекторного узла — это сложный процесс, а коллектор во время работы находится в напряженно-деформированном состоянии, обусловленном рядом воздействий — механических, физико-химических, тепловых и электромагнитных.

Коллектор (рис. 1) представляет собой один из наиболее сложных узлов электрической машины. Это объясняется, во-первых, структурой кольца, составленного из большого количества медных пластин, чередующихся с изоляционными прокладками, во-вторых, сложными геометрическими формами сопряжения металлических и изоляционных деталей, какими являются стальные нажимные конусы, миканитовые манжеты и медные ласточкины хвосты коллекторных пластин, и, наконец, силовыми явлениями, развивающимися под действием центробежных сил и температурных расширений.

Точность формы контактной поверхности коллектора — важнейший показатель качества, влияющий на процесс коммутации и надежность работы электродвигателя. ГОСТ 28295-89 "Кол-

лекторы электрических вращающихся машин" предъявляет жесткие требования к точности формы: биение коллектора в готовой машине должно быть не более 0,03 мм (п. 5.9 стандарта). Половина этого значения обусловливается зазором подшипников и эксцентриситетом подшипниковых щитов, т. е. на долю допустимого биения коллектора остается 0,015 мм. Данный стандарт

Рис. 1. Конструкция коллектора двигателя постоянного тока: 1 — коллекторная пластина; 2— изоляционная прокладка; 3, 4— передний и задний нажимной конус; 5 — изоляционная манжета; 6 — гайка

распространяется на общепромышленные электродвигатели; к коллекторам тяговых электродвигателей предъявляются еще более жесткие требования: биение не более 0,007—0,01 мм.

В процессе изготовления коллектор проходит через ряд состояний, характеризуемых параметрами качества. Каждая операция технологического процесса приводит к изменению этих параметров. Поэтому каждый этап технологического воздействия следует рассматривать в топологическом плане с учетом временной истории изменения параметров качества объекта. Рассмотрим формирование точности формы контактной поверхности коллектора, имея в виду технологическую и эксплуатационную наследственность, а также с учетом факторов, влияющих на формирование точности формы при выполнении каждой технологической операции и в период эксплуатации. Представим вышеуказанные взаимосвязи в виде структурной схемы (рис. 2).

В качестве окончательного метода обработки контактной поверхности вместо традиционного шлифования предложен альтернативный

метод — обкатывание, имеющий ряд преимуществ, экономически более целесообразный и надежно обеспечивающий требуемые параметры качества.

Основные операции технологического процесса, на которых закладывается точность формы контактной поверхности, — это черновое и чистовое точение. В процессе выполнения данных операций возможен ряд погрешностей. Погрешности, влияющие на точность обработки, указаны в таблице. Плюсом отмечены погрешности, влияние которых необходимо учитывать, а минусом — погрешности, действием которых можно пренебречь.

Черновое точение коллектора производят до его установки на вал и сборки якоря. Коллектор базируют по внутренней цилиндрической поверхности, сопрягаемой с валом в процессе сборки. Поэтому погрешность установки на данной операции зависит от применяемого зажимного приспособления и точности базовой поверхности.

Чистовое точение коллектора производят после установки его на вал и сборки якоря. Это

Рис. 2. Структурная схема формирования точности формы контактной поверхности коллектора

Погрешности чернового и чистового точения

Погрешности, действующие в процессе Черновое Чистовое

механической обработки точение точение

Погрешность установки + -

Погрешность тепловых деформаций технологичной системы + +

Погрешность упругих деформаций технологичной системы + +

Погрешность износа инструмента + +

Погрешность геометрических неточностей оборудования + +

Погрешность настройки - -

Погрешность остаточных напряжений в материале - -

условие необходимо, чтобы свести к минимуму погрешность установки после чернового точения, обеспечить соосность и концентричность наружной поверхности коллектора относительно основной базы — оси вращения вала. Для этого на данной операции собранный якорь базируют по центровым отверстиям вала, благодаря чему данная схема исключает погрешность базирования, так как базой служит ось. Для обеспечения жесткости технологической системы в качестве дополнительных баз используют люнеты, установленные по опорным шейкам подшипников. Такая схема практически полностью устраняет погрешность установки на данной операции, поэтому действие этой погрешности не учитываем.

Погрешность тепловых деформаций может иметь место как при черновом, так и при чистовом точении. Данная погрешность относится к малоизученным и сложно вычисляемым погрешностям механической обработки. Она может возникнуть как за счет тепловых расширений материала коллектора (медь обладает большой теплопроводностью и большим коэффициентом теплового расширения), так и за счет теплового расширения инструмента.

Погрешность упругих деформаций технологической системы будет иметь место как при черновом, так и при чистовом точении. Методика расчета данной погрешности достаточно хорошо отработана. Величина погрешности зависит от жесткости технологической системы, схемы базирования и технологических режимов точения. Данная погрешность может вызвать несимметричную бочкообразность поверхности и негативно влиять на условия коммутации.

Погрешность износа инструмента также будет действовать и при черновом, и при чистовом точении. Методика расчета этой погрешности также хорошо отработана. Ее величина зависит от стойкости инструментального материала и технологических режимов, на которых проводится точение. При несоответствии стойкости резца длине обработки данная погрешность может сформировать конусность поверхности и негативно влиять на условия коммутации.

Погрешность геометрических неточностей оборудования оказывает влияние за счет погрешности изготовления металлорежущего станка, ее величина обусловлена классом точности станка и схемой базирования. Схема базирования на операции чернового точения обеспечивает достаточно слабое влияние данной погрешности. Схема базирования на операции чистового точения более чувствительно сказывается на данной погрешности за счет влияния погрешности несоосности центров, используемых для базирования и установленных в переднюю и заднюю бабки.

Погрешностью настройки на обеих операциях точения можно пренебречь, так как она оказывает влияние на выдерживаемый размер, но не влияет на погрешность формы.

Погрешность остаточных напряжений в материале также не будем учитывать, так как она в основном оказывает влияние на нежесткие и тонкостенные детали. Коллектор имеет конструкцию достаточной жесткости, поэтому внутренние напряжения, возникшие при обработке в поверхностных слоях, не могут повлиять на точность формы контактной поверхности.

Анализ погрешностей, действующих в процессе точения, показывает, что технологические режимы обработки оказывают значительное влияние на три из пяти действующих погрешностей. Следовательно, управляя такими параметрами технологических режимов, как скорость резания, подача, глубина резания, можно регулировать технологическую наследственность данных операций.

Точность формы после операции обкатывания практически не зависит от погрешностей, аналогичных действующим в процессе точения. В связи с малой глубиной воздействия при обкатывании погрешности установки, упругих и тепловых деформаций, износа инструмента и геометрических неточностей отсутствуют. Поэтому точность формы после операции обкатывания определяется точностью, достигнутой на предшествующей операции чистового точения, через коэффициент передачи ребра графа, определяющего технологическую наследственность.

Наружная поверхность коллектора после операции сборки представляет собой "пилообразную" ступенчатую поверхность в связи с погрешностями размеров коллекторных пластин. Погрешность, полученная на операции штамповки, обусловливает перепад диаметров пластин после сборки. В традиционной технологии наличие ступенчатого контура после сборки не считают серьезным недостатком, так как поверхность подвергается далее механической обработке. Глубину резания на черновом точении выбирают таким образом, чтобы она гарантированно оказалась больше максимальной разности перепада диаметров наружного контура. Однако, если принимать во внимание технологическую наследственность, то погрешности изготовления коллекторных пластин оказывают непосредственное влияние на точность и стабильность формы контактной поверхности коллектора в процессе его эксплуатации. Погрешности размеров пластин формируют неидентичные условия в процессе их эксплуатации с точки зрения воздействия тепловых и центробежных нагрузок. "Разнотолщинность" пластин из-за погрешностей штамповки вызывает разные величины тепловых расширений. В связи с тем, что на боковые стенки пластин действует усилие арочного распора, наименьшим сопротивлением обладает расширение в радиальном

направлении, что негативно сказывается на точности формы контактной поверхности, вызывая возможность выступания отдельных пластин или их групп. Аналогичное действие оказывают центробежные нагрузки. Несмотря на то, что коллектор балансируют и общая его масса уравновешена, в связи с погрешностями изготовления разные пластины имеют разные массы, а следовательно, испытывают действие различных по значению центробежных сил. Это также может вызывать "выползание" отдельных пластин. Перечисленные проблемы могут усугубляться условиями электромагнитного характера: перегревом отдельных пластин или их групп.

Прямую технологическую наследственность процесса эксплуатации с точки зрения точности формы определяют режимы и условия сборочных операций — нагрева и опрессовки. Операции оп-рессовки создают необходимое боковое давление между коллекторными пластинами, так называемое усилие арочного распора. Операции нагрева предназначены для "выпекания" изоляционных материалов, обеспечивающих монолитность коллектора:

Исходя из графа, представленного на рис.2, погрешность формы контактной поверхности готового коллектора определена параметром Х14, который для общепромышленных машин не должен превышать 0,015 мм:

^,4 =*101*112*123*134*10 (О

Коллекторные пластины, поступающие на сборку, имеют исходные погрешности размеров, в результате чего погрешность формы после операции сборки может достигать 1—3 мм. Операции механической обработки должны устранить данную погрешность. Последняя технологическая операция — обкатывание — предназначена в основном для формирования микрорельефа поверхности и мало влияет на точность обработки. Можно считать, что передаточный коэффициент ребра кт равен единице, т. е. требуемая точность формы должна сформироваться уже после операции чистового точения.

Степень пооперационного копирования геометрических погрешностей выражается через коэффициент, который представляет собой соотношение одноименных погрешностей, созданных на выполняемой и предыдущей операциях:

к -Хп 112 -

-

11

13

12

щая силы резания Р будет изменяться от Р

у тах

до Ру min. Произойдет частичное копирование

где Хи Хп ХГл — соответственно погрешности формы после сборки, чернового и чистового точения.

Суммарная погрешность формы и взаимного расположения контактной поверхности определяется суммой действующих погрешностей (см. табл. 1). Суммарная погрешность после операции чернового точения задается выражением

=V4ct +3д* + 4Д. +зд?.д. + А?,

где используются следующие погрешности, мкм: Дуст — установки заготовки; Ди — износа режущего инструмента; Дуст — установки заго-Д

Д

Д

Суммарная погрешность после операции чистового точения равна

Хп =фд2и + 4Д. + 34Д. + д2г .

Рассмотрим возможные значения отдельных погрешностей. Погрешность установки на операции чернового точения при закреплении в трехкулачковом самоцентрирующем патроне по чисто обработанной базе равна 80—120 мкм в зависимости от диаметра базы. Погрешность геометрических неточностей используемого класса оборудования составляет 8 мкм. Погрешность тепловых деформаций может быть определена только после расчета температуры резания и реализации математического моделирования теплового состояния режущего инструмента и обрабатываемой детали. Одна из погрешностей, имеющих существенную технологическую наследственность и оказывающих доминирующее влияние на суммарную, — это погрешность упругих деформаций технологической системы. Рассмотрим подробнее ее формирование.

На начало операции механической обработки коллектор имеет определенную погрешность формы. При этом за счет изменения величины припуска в одном поперечном сечении глубина резания изменяется от /тахД° 'min- Следовательно, за один оборот заготовки нормальная составляю-

исходной некруглости (овальности). Погрешность формы поперечного сечения детали можно выразить следующим образом:

Р -Р

д _ , , _ j-'max j-'min

дуд 2 Уmax ^min 2 ~

Je

гдеус — жесткость технологической системы.

Чем выше жесткость системы, тем меньше коэффициент копирования погрешности. Это говорит о том, что форма детали на рассматриваемой операции уточняется быстрее, т. е. быстрее устраняются геометрические погрешности.

Выразим нормальную составляющую силы резания через технологические параметры:

pv =c„/w

где Су — коэффициент, зависящий от условий резания; / — глубина резания, мм; 5 — подача, мм/об; V — скорость резания, м/мин; х,у,п — показатели степени при каждом факторе (степени влияния каждого фактора).

Таким образом, погрешность формы после операции чернового точения можно выразить в виде

уд12

Ks>v"{tn-Xn)

Je '

а после операции чистового точения *ЛИ

Je

Податливость технологической системы (величина, обратная жесткости) зависит от схемы базирования и определяется жесткостью отдельных узлов станка: передней и задней бабки, суппорта.

При черновом точении коллектора он базируется в патроне, следовательно, податливость технологической системы будет равна суммарной податливости передней бабки и суппорта:

1 1 1 — --+ -

Je J

суп

ч

пб

Рис. 3. Остаточная погрешность формы контактной поверхности, мм, с учетом влияния погрешности упругих деформаций после чернового (а) и чистового (б) точения в зависимости от изменения величины силы резания

Чистовую обработку коллектора производят в сборе с якорем, базируя по центровым отверстиям вала, поэтому податливость технологической системы будет определяться суммарной податливостью передней и задней бабки, а также суппорта:

1

суп

1

+ —

4

1 1 г—

Лтб Лб

Обрабатываемая заготовка имеет высокую жесткость, поэтому ее податливостью можно пренебречь.

На рис. 3 представлены возможные значения остаточных погрешностей формы в зависимости от перепада значения силы резания на операциях чернового и чистового точения.

Анализ графиков показывает, что после чернового точения остаточная погрешность формы

может доходить до 80 мкм, а после чистового точения — может превысить допустимую величину 15 мкм. Следовательно, процесс управления параметром точности на данном этапе состоит в том, чтобы назначить режимы резания, обеспечивающие требуемую силу резания и допустимую погрешность.

Разработанная методика может быть использована для оптимизации технологических параметров (глубина резания, подача и скоро-стьрезания) как основных факторов, оказывающих влияние на силу резания, для операций чернового и чистового точения. В качестве целевой функции может быть принята максимальная производительность. Техническими ограничениями будут допустимая погрешность формы, а также допустимые интервалы варьирования технологических параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев A.B. и др. Технологические основы управления качеством машин / A.C. Васильев, A.M. Дальский, С.А. Клименко, Л.Г. Полонский, M.JL Хейфец, П.И. Ящерицин // М.: Машиностроение, 2003. 256 с.

2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. A.M. Дальского, А.Г. Сус-

лова, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 5-е изд., исправл // М.: Машиностроение-1, 2003. 944 е., ил.

3. Рыжов Э.В., Горленко O.A. Математические методы в технологических исследованиях / Отв. ред. А.Г. Гавриш. АН УССР. Ин-т сверхтверд. Материалов // Киев: Наук, думка, 1990. 184 с.