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电机转子压力铸造工艺参数优化研究

作者：杨亚琴

来源：《硅谷》2010年第17期

摘要: 电机转子是电机中最为重要的铸铝件之一,其结构复杂,利用多方案实验方法计算量巨大、耗时长,提出较为科学的实验方法,对几个重要的工艺参数进行研究,从而提出简单优选的参数搭配方案,即:正交试验,以期达到减少工作量、提高铸件质量的目的。 关键词: 压力铸造工艺;电机转子;工艺参数;正交试验

中图分类号:TD406文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0910103-01

压铸工艺方法是金属熔体在一定的压力下被压入可分的金属永久型中的一种铸造方法。其充型过程与砂型铸造过程不同,压力铸造属于特种铸造的范畴,它是一种将液态或半固态金属在高压下,以较高的速度填充入铸模的型腔内,并使金属或合金在压力下凝固结晶形成铸件的铸造方法。由于压力铸造中一般作用于液态金属上的压力在20Mpa范围,充型的初始速度为15m/s～70m/s,充型时间仅为0.01s～0.2s,因此可以得到薄壁、形状复杂、轮廓清晰点的铸件。铸件具有尺寸稳定、精度高、一致性好、加工余量少、表面光洁、铸件组织致密、具有较好的力学性能,压力铸造效率高,铸件表面可进行涂覆处理,是生产电机鼠笼转子的铝合金压铸件的重要工艺。

压力铸造是国民经济重要的基础工业制造之一,与其它铸造方法相比,压铸有以下三方面优点:1)产品质量好。铸件尺寸精度高,一般相当于6-7级,甚至可达4级;表面光洁度好,一般相当于5-8级;强度和硬度较高,强度一般比砂型铸造提高25-30%,但延伸率降低约70%;尺寸稳定,互换性好;可压铸薄壁复杂的铸件。例如,当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm;铝合金铸件可达0.5mm;最小铸出孔径为0.7mm;最小螺距为0.75mm。2)生产效率高。例如国产JⅢ型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸600～700次,小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000～7000次;压铸型寿命长,一付压铸型,压铸钟合金,寿命可达几十万次,甚至上百万次;易实现机械化和自动化。3)经济效益优。由于压铸件尺寸精确,表泛光洁等优点,一般不再进行机械加工而直接使用,或加工量很小,所以既提高了金属利用率,又减少了大量的加工设备和工时。铸件价格便宜,可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料,既节省装配工时又节省金属[3]。

但是,铸件的质量不易保证,废品率较高,而绝大部分废品都是由于铸造工艺设计不合理和参数选择不当造成的。目前,正交试验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用,利用正交试验对影响铸件质量的因素进行探索、研究具有较为积极的意义。

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由于电机转子铸件的结构特殊,是电机中最为重要的铸铝件之一。多方案实验计算量巨大,在较短的有限时间内不可能全面的研究工艺方案、工艺参数对铸件的影响。本文通过较为科学的实验安排方法,对几个重要的工艺参数进行研究,提供简单优选的参数搭配方案。显然大大减少了工作量,提高了压铸件的质量。

压力铸造的充型过程,是高温液态金属在高压下快速填充结构复杂、断面狭窄的金属型腔的过程。铝合金压铸件最容易出现的缺陷是内部气孔和疏松,这对其性能和扩大其应用范围都有不利的影响。为了解决这个问题,近年来国内外采用了一些新的工艺措施,以下四种是比较有代表性的方法:真空压铸、加氧压铸、半固态压铸和先进模式的液态高压铸造。

由于压铸过程比较错综复杂,涉及人员、设备、环境,生产的压铸件很容易出现各种缺陷。压铸件不能进行较多余量的机械加工,以免气孔暴露在铸件的表面,削弱压铸件的工作性能。压铸件也不能进行热处理,因为滞留在压铸件内的高压气体,在压铸件高温热处理的保温过程中会发生膨胀,而此时金属在高温下软化,使得压铸件起泡,有时压铸件表面甚至被气体鼓破,形成孔洞。

压铸能生产具有尺寸精确,表面光洁度好、薄壁类零件。但仍存在很多问题:1)由于压铸模内的合金液一般是在非真空的条件下急速冷却凝固的,如铸件不当,铸件易产生气孔,裂纹、冷隔等缺陷;2)普通方法生产的压铸件不能进行高温热处理和焊接;3)目前压铸某些内凹件、高熔点合金铸件还比较困难;4)压铸设备价格高,模具制造需要一定周期,所以不宜单件可小批量生产,只有在大批量生产时,才有很好的经济效益。

针对上述问题,近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现,已成为材料科学的研究热点之一。目前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。上述方法虽然能帮助解决一些问题,但不能完全准确贴近实际。本文以国内某公司生产的铝合金鼠笼转子项目为基础,试图通过实验的方法改进铝合金鼠笼转子生产中的工艺问题。

由于科学研究和生产中,所考察的指标一般是受多个因素的影响,当涉及的因素及其水平比较多或一次实验的计算量大时,作全面的实验是不现实的,需要用科学的方法安排实验方案。有两种最常见的实验方案安排方法:单因素多水平简单实验法和多因素多水平正交实验法。单因素多水平简单实验是研究单个因素作取值变化时对考察指标的影响。单因素、多水平简单实验的具体方法是将某个要研究的因素从众多因素中独立出来,给它设定几个不同的主要工作水平,让其他因素以定值出现,研究这个因素在不同的工作水平上变化时对考察指标的影响规律。正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备了“均匀分散,齐整可比”±的特点,正交试验设计是分析设计的主要方法,是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。例如,作一个三因素三水平的实验,按全面实验要求,须进行33=27种组合的实验,且尚未考虑每一组合的重复数。若按正交表按排实验,只需作9次,显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。

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参考文献:

[1]潘宪曾、张化明,压铸工艺与模具[M].电子工业出版社,2007,9.

[2]权林林,468Q发电机缸体压力铸造工艺及数值模拟研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文,2006,6.

[3]赵洪基、黄力明、叶益良、蒋旭平,中小型电机,1993,20(3). [4]伍爱,质量管理学[M].暨南大学出版社,2006,8. [5]朱鸣芳、苏华钦,特种铸造及有色合金,1993,(3),27-28.

[6]郭敖如,我国压铸发展和行业基本情况[J].铸造设备研究,1999,(3):29-30. [7]宋才飞,特种铸造及有色合金.

作者简介:

杨亚琴(1974-),女,江苏苏州人,苏州大学,在职硕士研究生,苏州工业职业技术学院机电工程系讲师。