Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления коллекторных пластин

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способу изготовления коллекторных пластин, которые предназначены для использования в электрических машинах и для получения высокопрочных деталей для низковольтных и высоковольтных коммутационных аппаратов.

К коллекторной пластине предъявляются следующие требования: высокие электро- и теплопроводность, низкое и стабильное во времени переходное сопротивление, эрозионная и фрикционная стойкость, прочность, достаточная пластичность, более высокая температура разупрочнения, хорошая обрабатываемость.

Известная технология изготовления коллекторных пластин из трапецеидального проката включает в себя следующие операции: вырубка пластин, их последующая рихтовка, снятие заусенцев, фрезерование петушков, лужение для вкладывания проводников обмотки с последующей их пайкой (см. Осьмаков А.А. Технология и оборудование производства электрических машин - М., Высшая школа, 1971, с. 128-131).

Недостатками данной технологии являются трудоемкость, сложность прокатки трапецеидального профиля. Последующие технологические операции сопровождаются большим количеством отходов. Коэффициент использования проката по массе (КИМ) в зависимости от высоты петушка и угла профиля проката колеблется от 45 до 56%. С учетом припусков на вырубку (до 5 мм) КИМ еще ниже.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является изготовление коллекторных пластин методом порошковой металлургии. Производство коллекторных пластин методом порошковой металлургии включает в себя следующие операции: приготовление шихты путем смешивания медного электролитического порошка со смазкой для улучшения технологических свойств порошка при прессовании, прессование, спекание и последующая калибровка для придания спеченной заготовке необходимых электротехнических свойств, геометрических размеров и твердости. Прессование коллекторных пластин ведется в автоматическом режиме на скошенных пуансонах для получения трапецеидального профиля. С целью обеспечения высокой твердости рабочей кромки нижний пуансон выполнен составным и обеспечивает дополнительную засыпку медной шихты в область рабочей кромки. При калибровке максимальные давления приходятся на рабочую кромку, обеспечивая ей повышенную твердость (см. Антонов М.В., Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин: Учебное пособие для вузов. - М., Энергоиздат, 1982 - с. 48-49). КИМ таких порошковых заготовок достигает 95-98%. Благодаря повышенной точности изготовления коллекторных пластин методом порошковой металлургии значительно снижается объем механической обработки. Практика эксплуатации электродвигателей собранных из коллекторов изготовленных методом порошковой металлургии показала, что износ щеток и коллекторных пластин меньше, чем в электромашинах с коллекторами из полосовой меди.

Недостатком способа изготовления коллекторных пластин по прототипу является низкая прочность коллекторных пластин. Собранные коллекторные пластины после пайки с выводами обмотки, сборки, запрессовки и механической обработки удерживаются в заданном положении с помощью стальных конусных плашек, входящих в «ласточкины» хвосты пластин и стянутых винтами. В случае перетяжки винтов, создающиеся напряжения затяжки в «ласточкином» хвосте, суммируясь во время работы с центробежными и тепловыми напряжениями, могут привести к поломке «ласточкиных» хвостов и выходу электродвигателя из строя. Таким образом, изготавливаемая по способу прототипа коллекторная пластина, не может использоваться там, где требуется ее высокая надежность.

Заявленное изобретение решает задачу повышения прочности в пределах упругости коллекторных пластин, обладает техническими характеристиками, превосходящими технические характеристики коллекторных пластин изготовленными по способу прототипа.

Трапецеидальный профиль коллекторных пластин получают за счет прессования на скошенных пуансонах. Для обеспечения максимальной твердости рабочей кромки подвижным пуансоном обеспечивается дополнительная засыпка шихты в область рабочей кромки. Для обеспечения повышенния прочности и пластичности пластин в районе «ласточкиного» хвоста проводится их двукратная калибровка с промежуточным отжигом в восстановительной атмосфере при температуре 400-840°С (нижняя граница температуры отжига установлена исходя из температуры рекристаллизации коллекторных пластин с 25% запасом по температуре для ускорения прохождения отжига, при температурах больших 840°С укрупнятся зерно, начинает проявляться т.н. «водородная» болезнь меди, прочностные характеристики и пластичность деталей после отжига при этом снижаются), причем во время первой калибровки рабочая кромка не калибруются. После восстановительного отжига калибруется вся площадь коллек-торной пластины. Давления второй калибровки 9-11,5 т/см². Нижний предел давления устанавливается из необходимости гарантированного достижения твердости рабочей кромки НВ≥90. Верхний предел давлений при калибровке ограничен работоспособностью инструментальной стали, из которой изготовлены пуансоны. Давления первой калибровки относительно давлений второй калибровки снижены на 45-50% до 5-5,5 т/см². Нижний предел давления первой калибровки устанавливается исходя из обеспечения гарантированной твердости рабочей кромки коллекторной пластины, а верхний предел установлен исходя из возможности выравнивания плоскости боковых поверхностей при втором калибровании, т.к. неплоскостность боковых поверхностей не должна выходить за допуски на изготовление коллекторных пластин по толщине. За счет калибрования основной поверхности коллекторной пластины в первую калибровку, на рабочую кромку при втором калибровании приходятся большие давления, благодаря чему рабочая кромка приобретает большую плотность и, соответственно, твердость, а на остальной поверхности обеспечиваются высокие прочностные характеристики в пределах упругих деформаций.

С целью подтверждения эффективности данной технологии были проведены лабораторные испытания изготовленных по этому способу коллекторных пластин на растяжение до разрушения в специально разработанном приспособлении, в котором к нижней траверсе силоиз-мерительной машины за выступы «ласточкиного» хвоста крепится нижняя тяга, а к отверстию пластины - верхняя траверса. Коллекторные пластины, изготовленные по разработанной технологии, имеют больший предел упругости: при двукратном калибровании с промежуточным восстановительным отжигом, нагружение в пределах упругих деформаций возрастает на 8,0-9,7%, упругие деформации при этом возрастают на 19-26% в сравнении с однократным калиброванием.

Твердость рабочей кромки при двукратном калибровании с промежуточным восстановительным отжигом удается увеличить с 84,4-89,9 НВ (по способу прототипа) до 92,4-107 НВ. Электропроводимость рабочей кромки пластин, за счет увеличения плотности при двукратном калибровании до 8,84 г/см³ и более, удается увеличить до 100% от электропроводимости меди марки М1Е. Электропроводимость рабочей кромки у пластин, изготовленных по способу прототипа, имеющих плотность рабочей кромки до 8,77 г/см³, только 94,5% от электропроводимости меди марки М1Е.

Изготовленные по этому способу коллекторные пластины собраны в электродвигатели, выдержали типовые испытания продолжительностью 6 месяцев во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения, осуществляются серийные поставки коллекторных пластин на электровозоремонтные заводы.