一种永磁材料复杂曲面的加工装置和工艺方法_饶佩明.pdf

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 Co.,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 cannot 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 words：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、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；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、外磁环拼装和检测，可以分作6道工序完成。3.2内、外磁环片单件半成品加工内、外磁环片单件半成品厚度相同，因呈同心圆分布，故曲面半径和厚度存在关联性。工序1是内、外磁环片单件半成品加工，先旋转数控转台，使工位旋转盘定位基面处于水平位置；将坯料紧贴前基准块和侧基准块安装，拧紧螺钉后拆去前基准块。如图9所示，调校切割钼丝基准，使钼丝分别触及坯料两侧面及左端面，通过火花放电分中和垂直校正，确定钼丝初始基准坐标位置。为省时省料，将长方体坯料一次装夹并进行四次切割，得到等厚度的内、外曲面磁环片单件半成品。内、外磁环片单件半成品的切割加工路径如图10所示。加工流程如下：（1）设置工位旋转盘旋转程序，在其旋转过程中，使钼丝沿着加工路径1进行切割；待第一次切割完成之后，调整钼丝与工件的相对位置；再设置工位旋转盘的反向旋转程序，在其旋转过程中，使钼丝沿着路径2对工件进行第二次切割，此时即可完成外磁环片的单件半成品加工。（2）调整钼丝与工件的相对位置，同样按前述方法设置工位旋转盘的旋转程序，在其旋转过程中，使钼丝沿着路径3对工件进行第三次切割；第三次切割完成后，再设置工位旋转盘的旋转程序，图8内、外磁环组合外磁环内磁环条形坯料前基准块X工位旋转盘侧基准夹紧块锁紧螺钉Y图9磁性坯料装夹示意图电加工与模具2023年增刊1电火花加工28图12内（外）磁环片装夹及切割2.0115.828曲面粗糙度Ra/m平均切割效率/（mm2min-1）平均切割时间/min2.027120.565曲面半径/mm54外形尺寸/mm42.81381042.673810项目数值内磁环片半成品N外磁环片半成品W在其旋转过程中，使钼丝沿着路径4进行第四次切割，此时即可完成内磁环片的单件半成品加工。（3）对已切割好的内、外磁环片的单件半成品分组、成对放置，以便于按照工序2、工序3进行装夹和切割。内、外磁环片的单件半成品图示见图11，对这些半成品进行的主要检测项目见表1。3.3内磁环片单件成品加工工序2是内磁环片单件成品加工。如图12所示，先使工位旋转盘定位基面处于水平位置，以侧基准1为定位基准，将内磁环片夹具体装于工位旋转盘定位基面上，锁紧固定螺钉；再将按照工序1加工的内磁环片半成品以侧基准2为定位基准装夹于内磁环片夹具体上，锁紧侧向螺钉，使侧压块夹紧内磁环片半成品；装夹时控制内磁环片半成品的侧面、端面以及夹具体定位面的间隙。调校切割钼丝基准，使钼丝分别触及内磁环片半成品两侧面及左端面，通过火花放电分中和垂直校正，确定内磁环片半成品的左端面及宽度中心线为切割初始原点。加工过程如下：（1）旋转数控转台，调整钼丝与工件的相对位置，使钼丝处于分中值处；设置工位旋转盘旋转程序，在其旋转过程中，使钼丝沿着圆弧路径a切割内磁环片；控制机床工作台，使钼丝与工件发生相对移动，设置钼丝以直线路径b切割内磁环片。（2）再次设置工位旋转盘反向旋转，在其旋转过程中，使钼丝沿着圆弧路径c切割内磁环片；控制机床工作台，使钼丝与工件发生相对移动，设置钼丝以直线路径d切割内磁环片。沿着a、b、c、d四段路径切割后，即完成内磁环片的单件成品加工。3.4外磁环片单件成品加工工序3是外磁环片单件成品加工。先将工位旋转盘定位基面处于水平位置，以侧基准1为定位基准，将工位旋转盘定位基面上的内磁环片夹具体更换为外磁环片夹具体，锁紧固定螺钉；再将工序1所加工的外磁环片半成品以侧基准2为定位基准装夹于外磁环片夹具体上，锁紧侧向螺钉，使侧压路径4路径3路径2路径1外磁环片W内磁环片N图10内、外磁环片单件半成品切割路径图11内、外磁环片单件半成品图示表1内、外磁环片单件半成品加工检测结果内（外）磁环片内（外）磁环片夹具体工位旋转盘Y侧基准2侧基准1侧压块侧锁紧螺钉X切割路径abcd电火花加工电加工与模具2023年增刊129图15外磁环片检测及拼装内磁环片检测基准外磁环检具外磁环拼装外磁环检具内弧长c/mm加工时间/minb、d面粗糙度Ra/m外弧长a/mm曲面厚度H/mm项目数值1#2#3#4#5#6#7#8#10.0010.0210.0110.0010.0210.0010.0110.0041.5641.5541.5641.5441.5541.5641.5441.5621.5621.5721.5521.5521.5621.5721.5621.552.001.851.901.951.851.801.901.8510.009.5010.0010.509.5010.009.509.50内弧长c/mm加工时间/minb、d面粗糙度Ra/m外弧长a/mm曲面厚度H/mm项目数值1#2#3#4#5#6#7#8#10.0110.0010.0210.0210.0110.0210.0010.0135.7335.7435.7435.7535.7335.7435.7335.7515.7415.7515.7615.7515.7415.7415.7515.741.851.901.801.952.001.851.801.909.09.08.59.08.58.59.08.5块夹紧外磁环片半成品；装夹时控制外磁环片半成品的侧面，端面与夹具体定位面的间隙。同样根据图12，调校切割钼丝基准，钼丝分别触及外磁环片半成品两侧面及左端面，通过火花放电分中和垂直校正，确定外磁环片半成品的左端面及宽度中心线为切割初始原点。加工过程如下：（1）旋转数控转台，调整钼丝与工件的相对位置，使钼丝处于分中值处；设置工位旋转盘旋转程序，在其旋转过程中，使钼丝沿着圆弧路径a切割外磁环片；控制机床工作台，使钼丝与工件发生相对移动，设置钼丝以直线路径b切割外磁环片。（2）再次设置工位旋转盘反向旋转，在其旋转过程中，使钼丝沿着圆弧路径c切割外磁环片；控制机床工作台，使钼丝与工件发生相对移动，设置钼丝以直线路径d切割外磁环片。沿着a、b、c、d四段路径切割后，即完成外磁环片的单件成品加工。3.5内、外磁环片的检测和拼装工序4工序6是内、外磁环的检测和拼装。（1）内、外磁环片单件成品检测工序4是先根据内、外磁环的尺寸和曲面、厚度等基本要素及公差要求，制作内、外磁环的专用检具，再通过三坐标测量机对检具的内、外基准面及弧度、曲面等进行测量检测，使其达到检具设计的要求。经工序2、工序3加工而成的内（外）磁环片单件成品外形示意图见图13。磁环片单件成品外形尺寸允差0.02 mm，相关成品的检测结果见表2和表3。（2）内、外磁环拼装及终检工序5和工序6是各取一组（8片）内、外磁环片单件成品，放到相应的检具中并拼装成完整的碗状组件。拼装应符合以下的要求：相邻磁环片接缝处用尺寸0.02 mm塞尺来检验，塞尺不得插入；碗状磁环的边缘圆度0.05 mm。内、外磁环成品拼装及检测情况分别见图14和图15。表2内磁环片单件成品检测结果表3外磁环片单件成品检测结果abcdH图13内（外）磁环片成品外形示意图14内磁环片检测及拼装内磁环片内磁环检具检测基准内磁环检具内磁环拼装电加工与模具2023年增刊1电火花加工304结束语针对永磁材料复杂曲面难以通过金属刀具切削加工进行处理的技术瓶颈，本文通过采用电火花线切割机床五轴联动数控技术，以磁环片为加工对象，设计了专用切割旋转装置、创新了工艺方法，开展了实验研究。本文设计的复杂曲面磁环片电火花线切割加工装置及工艺方法，运用线切割自动编程和联动控制功能，通过分步切割、拟合旋转等工艺手段，变复杂加工为简单化加工，实现了永磁材料复杂曲面的高精度、高效率数控化加工。实际加工验证，采用该工艺，零件装夹操作简便、合格率高、互换性强，综合效能显著，充分发挥了电火花线切割的特点和技术优势，为永磁材料复杂曲面的数控化加工提供了一种新的有效途径。除了用于碗形永磁材料的加工，本文所述加工方法亦适用于其他金属零件复杂曲面的加工，可广泛应用于汽车、拖拉机、机电、印刷、纺织、仪器、仪表、轴承、刀具、航空、航天等制造行业。参考文献：1唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京：机械工业出版社，1997.2王秀和.永磁电机M.北京：中国电力出版社，2007.3刘志东，高长水.电火花加工工艺及应用M.北京：国防工业出版社，2011.4刘志东.往复走丝电火花线切割加工技术发展瓶颈及研究思路J.电加工与模具，2016（S1）：5-105李明辉，杨晓欣.数控电火花线切割加工工艺及应用M.北京：国防工业出版社，2010.6任福君，姜永成.大厚度复杂曲面线切割丝损在线检测及补偿J.机械工程学报，2008，44（6）：237-242.7董丽华.数控电火花加工实用技术M.中国：电子工业出版社，2006.8乐韵斐，陈辛波，奚鹰.钕-铁-硼永磁材料套孔的加工工艺J.同济大学学报，2002，30（3）：318-321.9刘玉红.电火花线切割加工钕铁硼永磁材料的研究J.华章，2009（19）：144-150.（4）采用放余量割样板刀、限流加工等措施，可解决小R半圆加工后两侧偏“瘦”的工艺问题。（5）通过磨削加工的辊环槽型精度，完成对成形砂轮精度的最终认证。参考文献：1李爱莉，段丁杰.高线轧机硬质合金辊环的合理使用及再生利用J.建材发展导向，2017，15（4）：67-69.2范红伟，袁巨龙，吕冰海，等.金属结合剂砂轮的研究与发展J.航空精密制造技术，2010，46（4）：38-41.3DENKENA B，GROVE T，BREMER I，et al.Design ofbronze-bonded grinding wheel propertiesJ.CIRPAnnals，2016，65（1）：333-336.4任敬心，华定安.磨削原理M.北京：电子工业出版社，2011.5XIE J，DENG Z J，LIAO J Y，et al.Study on a 5-axisprecision and mirror grinding of glass freeform surfacewithout on-machine wheel-profile truing J.InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture，2016，109：65-73.6WEGENERK，HOFFMEISTERHW，KARPUS-CHEWSKIB，etal.ConditioningandmonitoringofgrindingwheelsJ.CIRPAnnals-ManufacturingTechnology，2011，60（2）：757-777.7焦锋，李成龙，牛赢，等.砂轮修整技术研究现状与展望J.中国机械工程，2021，20：2435-2448.8陈根余，戴隆州，李明全，等.激光与电火花复合修整粗粒度弧形金刚石砂轮试验研究J.中国机械工程，2022（15）：1780-1786.9陈海深，张喜平.金属结合剂金刚石成型砂轮电火花修整方法研究J.工具技术，2015，49（6）：25-29.10余剑武，何利华，尚振涛，等.小直径青铜结合剂微粉砂轮的电火花精密修整实验研究J.机械工程学报，2019，55（3）：199-207.11ZHANG Z Z，YAO P，ZHANG Z Y，et al.A noveltechnique for dressing metal bonded diamond grindingwheel with abrasive waterj et and touch truing J.TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2017，93（9）：3063-3073.12黄武，苏宏华，张昆，等.单颗钎焊金刚石磨粒磨损试验研究J.金刚石与磨料磨具工程，2016，36（2）：15-18.13王帅.金刚石砂轮修整技术研究D.南京：南京航空航天大学，2011.（上接第24页）第十八届中国国际机床展览会CIMT 2023展览日期：2023年4月10-15日展览地点：北京顺义 中国国际展览中心主办单位：中国机床工具工业协会http:/电火花加工电加工与模具2023年增刊131