CN101237172B - 高速电机的铜鼠笼转子的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速电机的铜鼠笼转子的制作方法，该方法包括以下步骤：a、将制作好的经热处理后的不锈钢转子先通过机械方法去除转子表面的氧化层；b、对去除了表面氧化层的不锈钢转子进行化学或电化学处理，然后酸洗，以彻底去除不锈钢转子表面的氧化物或其它杂质；c、将不锈钢转子的无铜部位进行绝缘隔离，然后将不锈钢转子浸入温度为30°～50℃，含一定浓度的铜离子的溶液中进行铜沉积处理，直到铜的沉积层充满不锈钢转子外表面上的多条轴向和圆周方向的凹槽的槽体或高出槽体表面一定余量，最后通过机械处理使表面光滑。本发明亦可在上述步骤b与c之间增加预镀镍步骤c’。本发明的方法可使电机的铜鼠笼与不锈钢转子本体结合紧密，铜鼠笼转子在运行时无发热，无故障，使用寿命长。
Description
【技术领域】
本发明涉及电机，特别是涉及一种转速达8万转/分以上，电机的铜鼠笼转子运行时无发热，无剥离等故障，综合性能优异的高速电机的铜鼠笼转子的制作方法。
【背景技术】
印制电路板(PCB)在接插、焊接电子元器件前需要用高速钻孔机钻孔，其孔径仅为几分之一毫米或几毫米。其高速钻孔机的驱动电机是一种专用电机，通过控制电源频率，其转速可达5～25万转/分，甚至达30万转/分以上。设有专用电机的PCB钻孔机的主轴是钻孔机的关键部件，该主轴由电机的定子、转子，轴承及空气腔、水冷腔和结构件组成。高速电机的转子10是由不锈钢经热处理而制作的圆形筒体，其结构十分紧凑、精密。当定子通过一定频率的交变电流时，就会形成交变电磁场，同时由于电磁效应，会在转子的鼠笼状的铜体表面感应出涡流及极性相反的电磁场。由于鼠笼的特殊形状和结构，就形成了定子、转子电磁场的相位差，使其互相吸引，迫使转子高速旋转，成为一个高速电机，从而带动夹头和钻头做功而钻孔。当然，在PCB上快速钻孔过程中，需要控制系统的精确控制。
参阅图1、图2，转子的铜鼠笼是将纯铜4(纯度达90.0～99.99％)复合在不锈钢筒体1外部的圆周方向的环形槽2和轴向的直槽3内，形成类似鼠笼的筒体。如果铜鼠笼的纯度不能保证，运行时就会发热。铜鼠笼上的直槽数目是根据转速的高低不同而设计的，一般为双数或单数(例如18万转/分的铜鼠笼的直槽数为13；8.5转/分的铜鼠笼的直槽数为16)。铜鼠笼上的环形槽与直槽是相通的，环形槽与直槽的深度为1.5～2mm。当铜被沉积在槽内后，就形成鼠笼状结构，这种结构要承受高速旋转时产生的离心力和电流损耗所产生的发热。由于旋转速度很高，鼠笼承受的加速度为十几个g，而铜的比重为8.9，不锈钢的比重为7.8，因此铜鼠笼相对于不锈钢有一个向外的离心力。同时，转子因电流损耗而发热造成热膨胀，且因铜、钢膨胀系数不同，因而在铜与不锈钢的相接合部位自然会产生相互分离的张力，最终导致铜鼠笼外经扩大，使转子与定子间的间隙减小，甚至卡死，最后造成停转而损坏主轴转子。更严重的可能导致铜鼠笼从不锈钢体上剥离。上述问题都是由于鼠笼在制作过程中与不锈钢不能紧密融合，铜与不锈钢之间形成隔离层所致。其主要原因是制作工艺存在缺陷，这种缺陷的原因包括：1、不锈钢体表面存在杂质，或未能“活化”；2、铜沉积在不锈钢体表面时，没有形成分子间的“螯合”，工艺参数选择不当；3、在形成铜鼠笼过程中，铜体内因掺杂有其它金属，如铁、铝、硅等杂质，而达不到实际要求的纯度。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种能使电机的铜鼠笼与不锈钢转子本体结合紧密，铜鼠笼转子在运行时无发热，无故障，使用寿命长的高速电机的铜鼠笼转子的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供一种高速电机的铜鼠笼转子的制作方法，该方法包括以下步骤：
a、将制作好的经热处理后的不锈钢转子先通过机械方法去除转子表面的氧化层；
b、对去除了表面氧化层的不锈钢转子进行化学或电化学处理，然后酸洗，以彻底去除不锈钢转子表面的氧化物或其它杂质；
c、将不锈钢转子的无铜部位进行绝缘隔离，然后将不锈钢转子浸入温度为30°～50℃，含一定浓度的铜离子的溶液中进行铜沉积处理，直到铜的沉积层充满不锈钢转子外表面上的多条轴向和圆周方向的凹槽的槽体或高出槽体表面一定余量，最后通过机械处理使表面光滑。
步骤a中，所述的机械方法为磨光、抛光、滚光中的一种或其结合。
步骤b中，所述的化学处理为碱性硝酸盐熔融法、碱性高锰酸钾浸渍法中的一种；所述电化学法是用以重量百分比计的硫酸13.3～15.5％、硫酸钠12.3～14.3％、硝酸钠1.3～3.3％，阳极电流密度为25～35A/dm2，温度80℃的水溶液处理0.5～1分钟，然后用热水冲洗后放入温度为150-250℃的烘箱烘1～2小时；所述酸洗是用浓度280～330ml/L的盐酸，浓度190～240ml/L的硫酸，浓度110～130ml/L的分析纯乙醇，浓度2～3g/L的六次甲基四胺，浓度230～280ml/L的双氧水及浓度50～190ml/L的纯水的水溶液在室温下清洗3～5分钟。
步骤c中，所述铜离子溶液是浓度为50～60g/L的焦磷酸铜，浓度为340～380g/L的焦磷酸钾，浓度为0.008～0.02g/L的二氧化硒，浓度为0.002～0.004g/L的二一巯基本丙咪唑，PH值为8.5～9.0，电流密度0.5～0.8A/dm2的混合液。
本发明的高速电机的铜鼠笼转子的制作方法的另一方案包括以下步骤：
a’、对制作好的经热处理后的不锈钢转子先通过机械方法去除转子表面的氧化层；
b’、对去除了表面氧化层的不锈钢转子进行化学或电化学处理，然后酸洗，以彻底去除不锈钢转子表面的氧化物或其它杂质；
c’、在不锈钢转子上预镀一层0.005～0.01mm的镍；
d’、对镀镍后的不锈钢转子的无铜部位进行绝缘隔离，然后将不锈钢转子浸入温度为30°～50℃，含一定浓度铜离子的溶液中进行铜沉积处理，直到铜的沉积层充满不锈钢转子外表面上的多条轴向和周向的凹槽的槽体或高出槽体表面一定余量，最后进行使表面光滑的机械处理。
步骤a’中，所述的机械方法为磨光、抛光、滚光中的一种或其结合。
步骤b’中，所述的化学处理为碱性硝酸盐熔融法、碱性高锰酸钾浸渍法中的一种；所述电化学法是用以重量百分比计的硫酸13.3～15.5％、硫酸钠12.3～14.3％、硝酸钠1.3～3.3％的水溶液，阳极电流密度为25～35A/dm2，温度80℃的水溶中处理0.5～1分钟，然后用热水冲洗后放入温度为150-250℃的烘箱烘1～2小时；所述酸洗是用浓度280～330ml/L的盐酸，浓度190～240ml/L的硫酸，浓度110～130ml/L的分析纯乙醇，浓度2～3g/L的六次甲基四胺，浓度230～280ml/L的双氧水及浓度50～190ml/L的纯水的水溶液在室温下清洗3～5分钟。
步骤c’中，预镀镍时，先用含盐酸和氯化镍的活化液对不锈钢表面的钝化膜进行阳极活化处理，然后在同一槽液中，利用电流换向开关将极性变换，原来的阳极变为阴极，完成预镀镍。
步骤(c’)中，在不锈钢转子上预镀镍是用含浓度240～g/L的氯化镍和浓度120～ml/L的盐酸与水的活化液在温度为10～30℃，电流密度为2～3A/dm2进行阳极活化1～4分钟，然后在电流密度为2～5A/dm2条件下阴极预镀镍4～8分钟，形成镀镍层。
步骤d’中，所述铜离子溶液是浓度为50～60g/L的焦磷酸铜，浓度为340～380g/L的焦磷酸钾，浓度为0.008～0.02g/L的二氧化硒，浓度为0.002～0.004g/L的二一巯基本丙咪唑，PH值为8.5～9.0，电流密度0.5～0.8A/dm2的混合液。
本发明的贡献在于，它有效解决了现有技术中存在的诸多弊端。本发明通过对不锈钢转子表面氧化层和其它杂质进行彻底清除，使不锈钢转子表面得到活化，为铜与不锈钢转子的完全融合奠定了基础。通过沉积工艺使得铜鼠笼与不锈钢本体的“螯合”十分紧密，完全融合为一体，因而使铜鼠笼转子在运行时无发热，无故障，使用寿命长。由本发明的方法所制作的高速电机的铜鼠笼转子达到了国际上优良产品的品质。
【附图说明】
图1是高速电机转子结构示意图，
图2是图1的A-A向剖视图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
本发明的高速电机的铜鼠笼转子的制作方法主要包括不锈钢转子的表面处理和铜鼠笼的沉积形成两项工艺。
一、不锈钢转子的表面处理
由于不锈钢转子是在热处理以后融接上鼠笼的，而经热处理的不锈钢外部的轴向和周向的槽内及表面会形成一层结构致密且与基体附着力强的“黑皮”，这层“黑皮”含有Cr、Ni、Fe和少量的C和Si或P的氧化物，例FeO、Fe2O3、Cr2O3、NiO、SiO3，Cr2O3.FeO、Ni.Fe2O3等，这些氧化物互相混杂，且与基体的膨胀系数不同，因而会产生应力，这种应力阻碍了铜鼠笼的形成。因而必须彻底去除“黑皮”。第一步则是通过机械方法去除“黑皮”，其步骤为：
a、将制作好的经热处理后的不锈钢转子先通过机械方法去除转子表面的氧化层。具体地说，机械方法为磨光、抛光、滚光中的一种或其结合。因机械方法达不到彻底去除目的，因此，需通过化学或电化学进行第二步处理，其步骤为：
b、对去除了表面氧化层的不锈钢转子进行化学或电化学处理，然后酸洗，以彻底去除不锈钢转子表面的氧化物或其它杂质。具体地说，该步骤中，所述的化学处理为碱性硝酸盐熔融法、碱性高锰酸钾浸渍法中的一种，其中可采用常用的强酸浸渍法，即将工件浸渍在由硝酸4％(wt)、盐酸36％(wt)配制的水溶液中，温度控制在35～40℃，浸渍3～6分钟。
如采用电化学法，则效果更好，该方法对基体的腐蚀小，速度快。具体地说，是用硫酸14.4％(重量百分比)、硫酸钠13.3％(重量百分比)、硝酸钠2.3％(重量百分比)，阳极电流密度为30A/dm2，温度80℃的水溶液处理1分钟，然后用热水冲洗后放入温度为200℃的烘箱烘1.5小时。
化学或电化学处理后需用酸洗，具体地说，酸洗是用浓度300ml/L的盐酸，浓度200ml/L的硫酸，浓度120ml/L的分析纯乙醇，浓度2.5g/L的六次甲基四胺，浓度250ml/L的双氧水及浓度120ml/L的纯水的水溶液在室温下清洗4分钟。
二、铜鼠笼的沉积形成
将铜鼠笼与不锈钢转子本体复合为一体，实现两者的紧密“螯合”是本发明的另一重要步骤，该步骤如下：
c、将不锈钢转子的无铜部位进行绝缘隔离，然后将不锈钢转子浸入温度为40℃，含一定浓度的铜离子的溶液中进行铜沉积处理，直到铜的沉积层充满不锈钢转子外表面上的多条轴向和圆周方向的凹槽的槽体或高出槽体表面一定余量，最后通过机械处理使表面光滑。具体地说，该步骤中，取浓度为55g/L的焦磷酸铜，浓度为3606g/L的焦磷酸钾，浓度为0.01g/L的二氧化硒，浓度为0.003g/L的二一巯基本丙咪唑配制成PH值为8.8，电流密度0.7A/dm2的铜离子混合溶液，然后按步骤c进行铜沉积处理。铜沉积过程完成后，将铜鼠笼通过常规的磨光、抛光、滚光等方法处理到符合设计要求的表面光洁度。
由于不锈钢(例1Cr18Ni9)含Ni 8～10.0％，它与镍的亲和力大于铜，考虑到这一因素，本发明亦可通过另一方案来实现。
因不锈钢表面极易钝化，钝化后金属表面电极电位向正方向移动，从而促使钝化层更稳定，这层致密的钝化膜影响了不锈钢与铜的结合力，严重时会起泡。不明显时，它看似平整，但经不起冲击、划痕等结合力的试验。一般可用酸洗活化法，但仍不能达到完全去除氧化膜的效果，因为不锈钢表面钝化膜中的铬离子和镍离子分别属“硬酸”和“交易酸”，酸洗液中的氟离子为硬碱，它们之间有很强的亲和力，易生成“配阴离子”，牢固地吸附在表面，进而形成金属与溶液之间的新的阻隔层。虽然这些“配阴离子”在酸性介质中会被溶解，但水洗后还有部分保留在不锈钢表面，又生成新的钝化层。
为此，可在上述步骤b与c之间增加预镀镍步骤c’，该方案中，步骤a’、b’、d’同上述步骤a、b、c，这里不再赘述。步骤c’是在不锈钢转子上预镀一层0.005～0.01mm的镍，具体地说，该步骤是用含盐酸和氯化镍的活化液对不锈钢表面的钝化膜进行阳极活化处理，然后在同一槽液中，利用电流换向开关将极性变换，原来的阳极变为阴极，完成预镀镍。更具体地，该步骤中，活化液是由浓度240g/L的氯化镍和浓度120ml/L的盐酸水溶液配制而成，将不锈钢转子置于该活化液中，在温度为20℃，电流密度为2A/dm2进行阳极活化2分钟，然后在电流密度为3A/dm2条件下阴极预镀镍4-8分钟，形成镀镍层。
上述阳极活化的电化学反应为：
Fe→F2+(铁溶解为铁离子)
2cl--2e→2Cl→Cl2
在此活化过程中，初生态氯原子具有很强的氧化性，它不断使不锈钢表面的铁原子氧化成铁离子。氯离子与不锈钢表面钝化膜中的铁、铬、镍离子的“配位体”的稳定常数较高，促使生成的“配阴离子”溶解易进行，则起到了阳极活化作用。同时，不锈钢表面上形成的金属离子冲破氧化膜进入溶液，与溶液中的镍离子混合，加上初生态氯原子结合成氯气后也冲破钝化膜逸出，更加强了活化、洁净表面的作用。
阳极活化后，在同一槽液中，利用电流换向开关，将极性变换，原来的阳极变为阴极，进行预镀镍。阴极的电化学反应如下：
Ni2++2e→Ni
在反应瞬间，即在不锈钢表面镀上了镍，避免再形成钝化膜。然后，再进行步骤c或d’所述的沉积铜步骤。
此工艺经常温、低温和高温实际试验可达到预期效果。具体方法如下：
(1)、常温试验：采用与转子材料相同的不锈钢薄片作样件，不锈钢材料预镀镍后再沉积一层小于1mm的铜后，反复弯曲，直到使不锈钢片折断，不锈钢与铜层断面不起皮、不分层；(2)、低温试验：将上述不锈钢样片，按上述c′、d’步骤沉积镍和铜层后，放置在-196℃液氮中浸泡数小时，取出后放置至常温25℃，如此反复5次，然后在常温下弯曲折断，或用锉刀锉镀层，不锈钢与镀层不起皮；(3)、高温试验：将上述同样的样品加热至400～500℃，然后冷却至常温，进行弯曲折断，或用尖锐钢针划镀层，镀层不起皮。
Claims (9)
1.一种高速电机的铜鼠笼转子的制作方法，其特征在于，它包括以下步骤：
a、将制作好的经热处理后的不锈钢转子先通过机械方法去除转子表面的氧化层；
b、对去除了表面氧化层的不锈钢转子进行化学或电化学处理，然后酸洗，以彻底去除不锈钢转子表面的氧化物；
c、将不锈钢转子的无铜部位进行绝缘隔离，然后将不锈钢转子浸入温度为30°～50℃，含一定浓度的铜离子的溶液中进行铜沉积处理，直到铜的沉积层充满不锈钢转子外表面上的多条轴向和圆周方向的凹槽的槽体或高出槽体表面一定余量，从而形成铜鼠笼，最后通过机械处理使所述铜鼠笼表面光滑。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的机械方法为磨光、抛光、滚光中的一种或其结合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中，所述的化学处理为碱性硝酸盐熔融法、碱性高锰酸钾浸渍法中的一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中，所述铜离子溶液是由浓度为50～60g/L的焦磷酸铜，浓度为340～380g/L的焦磷酸钾，浓度为0.008～0.02g/L的二氧化硒，浓度为0.002～0.004g/L的二一巯基本丙咪唑配制而成，PH值为8.5～9.0，电流密度0.5～0.8A/dm2的混合液。
5.一种高速电机的铜鼠笼转子的制作方法，其特征在于，它包括以下步骤：
a’、对制作好的经热处理后的不锈钢转子先通过机械方法去除转子表面的氧化层；
b’、对去除了表面氧化层的不锈钢转子进行化学或电化学处理，然后酸洗，以彻底去除不锈钢转子表面的氧化物；
c’、在不锈钢转子上预镀一层0.005～0.01mm的镍；
d’、对镀镍后的不锈钢转子的无铜部位进行绝缘隔离，然后将不锈钢转子浸入温度为30°～50℃，含一定浓度铜离子的溶液中进行铜沉积处理，直到铜的沉积层充满不锈钢转子外表面上的多条轴向和周向的凹槽的槽体或高出槽体表面一定余量，从而形成铜鼠笼，最后进行使所述铜鼠笼表面光滑的机械处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(a’)中，所述的机械方法为磨光、抛光、滚光中的一种或其结合。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(b’)中，所述的化学处理为碱性硝酸盐熔融法、碱性高锰酸钾浸渍法中的一种。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(c’)中，在不锈钢转子上预镀镍是用由浓度220～260g/L的氯化镍和浓度100～140ml/L的盐酸水溶液配制而成的活化液在温度为10～30℃，电流密度为2～3A/dm2进行阳极活化1～4分钟然后在电流密度为2-5A/dm2条件下阴极预镀镍4～8分钟形成镀镍层。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(d’)中，所述铜离子溶液是由浓度为50～60g/L的焦磷酸铜，浓度为340～380g/L的焦磷酸钾，浓度为0.008～0.02g/L的二氧化硒，浓度为0.002～0.004g/L的二一巯基本丙咪唑配制而成，PH值为8.5～9.0，电流密度0.5～0.8A/dm2的混合液。
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Owner name: SHENZHEN SUFENG TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: LI XIAOLIN Effective date: 20111024 |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20111024 Address after: 518126, Shenzhen, Baoan District Xixiang Street West Industrial Zone Hongshan building, east two floor Patentee after: ShenZhen SuFeng Technology Co., Ltd. Address before: Two, building 518126, Hongshan building, Xicheng Industrial Zone, Baoan District, Shenzhen, Guangdong, Xixiang Patentee before: Li Xiaolin |
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