CN102255215B - 一种碳换向器的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳石墨换向器的制造工艺，其工艺是 包括：①制取换向器组件；②制取压制粉；③换向器组件装于压制模具中，并在环形空间上方倒入多于成品中的碳片总重量的压制粉重量，施压，获得镶嵌低密度模制压制粉的预压组件；④将预压组件在温等静压设备中施压获得镶嵌高密度静压压制粉的静压组件；⑤后加工获得符合成品工艺尺寸的产品。本发明的优点在于：通过本法获得的碳换向器成品，碳片与导电部件及支承体连接紧密，没有间隙，碳片抗拉强度可达5N以上，而且整体工艺简单，成本低，通用性好，可推广应用和规模化加工，并避免了以往粘接和焊接工艺的质量稳定差的缺点。

Description

一种碳换向器的制造工艺

技术领域

本发明涉及一种碳换向器，具体是指一种碳换向器的制造工艺以及用该制造方法所制造的产品。

背景技术

碳换向器以其优异的的的耐腐蚀和耐磨性能，广泛应用于应用于普通换向器无法适应的电机中，其结构主要包括由绝缘支撑体、导体部件以及碳片构成。目前，碳换向器的碳片和导电部件的固定连接一般采用导电胶粘接，焊接工艺或镶嵌工艺，其中采用导电胶粘接，如中国专利号为ZL 03107188.0公开的平面碳换向器，这种方式的缺点在于：导电胶价格非常昂贵，导致碳换向器的生产成本居高不下，另外，导电胶水结合力相对较差，且易受热脱胶，耐热温度低，使用寿命短，操作困难使得碳换向器的质量稳定性存在隐患。而另外一种焊接工艺，如中国专利公开号为CN 1927514A公开的碳换向器的焊接工艺，这种连接方式的缺点在于：需要专用焊接设备和焊接气氛下才能进行焊接，而且工艺过程比较困难，不可靠，另外其焊料采用的贵重金属，价格非常昂贵，焊料保存麻烦，不适合碳换向器的规模化生产，而中国专利公开号为200480002038.7公开的碳换向器的连接工艺，提出把已成形的碳片无间隙的压入换向器组件中，要做到把制成品的碳片与导体部件配合精密在工艺上是很困难的，无法应用在规模生产中。还有一个专利申请号为98809820公开的碳换向器及其制造方法，提出先把碳材料模制在导体部件上，再压注绝缘胶木，该专利没有清楚的说明如何把碳材料模制在导体部件上。目前已知的制造方法是先制成碳片和换向器组件，再寻求相连接，由于碳片的性质，使用粘接和焊接工艺难以规模生产，而且获得的产品并不理想，因此，必须寻求其他工艺方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种连接成本低、连接难度低、质量好、便于推广应用且有利于碳换向器规模化生产的碳换向器的制造工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：

①制取换向器组件，包括由绝缘胶木压制的支承体（2），均匀的环绕换向器轴线（8）布置的导体部件(1)，由绝缘胶木压制的内外环形圈（6）（7），和环形内圈裸露的环形导体部件（11），环形导体部件（11）上设置有多个盲孔（3），留有安置碳片的环形空间（10）；

②制取压制粉，压制粉的松装比为0.5g/cm³～5g/cm³ ；

③换向器组件装于压制模具中，并在环形空间（10）上方倒入多于成品中的碳片总重量的压制粉，用模具对换向器组件和压制粉施压，压力大于100kg/cm²，获得镶嵌低密度模制压制粉（14）的预压组件，该低密度模制压制粉孔隙度不大于30%； 

④将预压组件用包套包裹密封，放置在温等静压设备中以90℃-500℃温度下施加10MPa～400Mpa压力，保压1秒～10000秒后获得镶嵌高密度静压压制粉（13）的静压组件；④步骤处理所用的设备除了所特指的温等静压机外，其他可以在各个方向上对包裹产品的表面同时施加相等压力的设备都可以在本专利发明的步骤④工艺中使用。因此也可以用使用冷等静压机和热等静压机，以及其他满足这个要求的设备，都应该属于步骤④中所述的设备。

⑤将碳换向器组件通过机加工工设备进行外圆切削，内孔切削，碳平面的切削，碳片与导体部件的切槽，导体部件(1)的端脚加工出金属挂线钩，获得符合成品工艺尺寸的产品。

进一步设置是所述的步骤 ④和⑤之间还进行以下步骤⑥：将静压组件剥除包套，在热处理设备中烧结1-50小时，消除内应力和完成树脂的固化或交联，获得镶嵌碳片（17）的碳换向器组件。

进一步设置是所述步骤 ③的环形空间（10）上方倒入的压制粉量的重量多于成品碳片重量。

进一步设置是所述步骤（1）制取的换向器组件包括有绝缘胶木做为支撑体（2）和用于电机转子挂线用的与换向片数量相等的金属挂线钩（4）或金属嵌线槽，所述导体部件（1）环绕换向器轴线（8）布置，导体部件有裸露金属面（11）用来与碳片接触完成电流的传导，导体部件裸露金属面（11）上有用来锚住碳片的多个盲孔（3），换向器组件与碳刷接触面之间留有用来安置碳片的空间（5），有用来保护碳片的内外环形圈（6）（7）。

进一步设置是压制粉由填料和粘结剂通过混料、捏合、粉碎制成，该粘结剂为未熟化的热固性树脂或热塑性树脂，该压制粉中含有的粘结剂质量比例在0.1%～10 %。

进一步设置是压制粉中含有的填料质量比例在90%～99.9%，所述填料从碳粉、石墨、金属粉、金属化合物、陶瓷、纤维和纳米材料组合而成。

进一步设置是所述压制粉的组分比例为：

填料         98%；

粘结剂       2%；

其中填料成份如下

填料       石墨粉            30%；     

石墨纤维          30%；  

聚四氟乙烯微粉    2%；     

导电陶瓷          8；        

铜粉              30%；     

粘结剂成份如下

粘结剂      树脂          100%。

进一步设置是换向器组件上有盲孔（3）被碳片（9）填充，所述的盲孔（3）为圆柱状或其他不规则形状凹坑。

进一步设置是所述步骤④中还进行压力介质预热，预热温度范围为室温至450℃之间。

进一步设置是换向器组件上有盲孔（3）被碳片（9）填充。

关于上述发明的内容的补充说明：因为碳片材料是惰性的，靠其中含有的少量树脂粘结成一块，因此只有利用机械方法来卡住碳片，由于不是把碳片先制成品，而是用制作碳片的原料来填装换向器组件预留的碳片空间，因此任何形状复杂的凹腔都能填装进去，而且形状复杂的凹腔可以提高碳片在部件中镶嵌的机械强度。因此凹腔可以制造出利于镶嵌的缩口，可以有加强定位的盲孔，盲孔也可以做出缩口，内外保护圈可以压制出齿状边，这样就能牢固的卡主碳片。也可以参见专利号为200480002038.7中提到的用来卡碳片的方法。

 原材料的选用是制造碳片的关键，对碳片的性能要求是导电，耐磨，耐腐蚀，因此所用材料必须瞒足条件这些条件由于树脂是不导电的，因此尽量减少配方中的比例。当然为了增加导电性和强度，可以选用能提高导电性和强度性能的材料。如纳米碳纤维管等。碳片属于以树脂为粘结剂的电工用碳石墨制品类，其制作碳片的压制粉工艺属于公开的，其制作方法和配方非常多，但其中含有的成份也就是从数量众多的填料和树脂中选出，其方法也可以参照专利号200910308484.5 超耐磨全能纳米碳刷及其制备方法中介绍的方法来制备压制粉。换向器组件装于压制模具中，并在环形空间（10）上方倒入适量的压制粉（比成品碳片重量多15%），用模具对换向器组件和压制粉施压，获得镶嵌低密度模制压制粉（14）的换向器组件（以下简称预压组件）（图7）。 

从这步开始利用碳片制造工艺，直接在换向器组件上制取碳片，

普通碳片的制作工艺是制备压制粉，压制，烧结。本发明是利用在压制工艺上直接把换向器组件和压制粉压在一起，由于换向器组件不能够承受很大的压制力，因此在压制工艺上必须改进，本发明采用分两次完成压制碳片工艺，先通过换向器组件所能承受低压力的冷模压，来获得低密度模制压制粉（14），使压制粉能与换向器组件获得低机械强度的镶嵌，当然低密度模制压制粉（14）必须能保持形状，在移动过程中不会分散，开裂，和脱离换向器组件。

还有另一种方法是把压制粉用水或其他溶剂制成流体或半流体，通过注射或涂覆在换向器组件，再通过加热或溶剂自然挥发等方法使压制粉干燥结块。

④将预压组件用包套包裹密封，在温等静压设备中90℃-500℃下施加10MPa～400Mpa压力，保压1秒～10000秒后获得镶嵌高密度静压压制粉（13）的换向器组件（以下简称静压组件）（图3图4）。

在等静压机中加压的产品必须要与压力介质隔离，如果产品表面本身没有不透性表面，那么必须对产品进行包裹。如果使用的是温等静压机，那么包裹材料必须能够承受温等静压机设置的温度。如耐高温橡胶，或耐高温硅胶，和耐高温树脂。

要制取满足电工用碳石墨制品性能的碳片，必须在大于单位压力30Mpa下才有可能获得，如果使用普通压力机，在这个压力下或高于这个压力下预压组件无法承受而受损，本发明指出必须使用能够在各个方向上对包裹产品的表面同时施加相等压力的设备才能够既不破坏预压组件，又能够满足碳片生产工艺要求。满足这个要求的最佳设备是温等静压机，并使用液体压力介质。因为温等静压机能够在各个方向上对包裹产品的表面同时施加相等压力，压力超过30Mpa不会让预压组件受损，还能够加热预压组件，通过加热预压组件来使预压组件中压制粉含有树脂固化交联，这样获得的碳片比冷等静压制造的碳片气孔率更低，抗压强度更高，电阻更低，在步骤⑥的加热烧结中更加稳定。

将静压组件剥除包套，在热处理设备中烧结1-50小时获得镶嵌碳片（17）的换向器组件（图8图9）（以下简称碳换向器组件）。这个步骤将最终完成碳片的烧结工艺，获得成品碳片，当然如果步骤中获得的碳片材料已经满足使用要求的话，也可以省略这一步。

将碳换向器组件（图8图9）通过机加工获得成品（图5图6）。

本发明的优点在于：通过本法获得的碳换向器成品，碳片与导电部件及支承体连接紧密，没有间隙，碳片抗拉强度可达5N以上，而且整体工艺简单，成本低，通用性好，可推广应用和规模化加工，并避免了以往粘接和焊接工艺的质量稳定差的缺点。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做进一步介绍。

附图说明

图1 本发明碳换向器制造工艺步骤①的结构图；

图2 本发明碳换向器制造工艺步骤①的仰视图；

图3本发明碳换向器制造工艺步骤④⑥的结构图；

图4 本发明碳换向器制造工艺步骤④⑥的仰视图；

图5 本发明碳换向器制造工艺步骤⑤的结构图；

图6 本发明碳换向器制造工艺步骤⑤的仰视图；

   图7 本发明碳换向器制造工艺步骤的③结构图；

   图8 本发明碳换向器制造工艺步骤的⑥结构图；

   图9 本发明碳换向器制造工艺步骤的⑥仰视图；

   图10 本发明具体实施例碳换向器制造工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明

实施例1

上述步骤获得的碳换向器如图1-6所示，包括有有绝缘胶木做为支撑包括以下步骤：

取0.8mm62黄铜板，冲裁成所需形状，并通过弯曲获得导体部件(1)，通过模具注塑住友6432绝缘胶木支承体（2），获得换向器组件（图1图2），包括由绝缘胶木压制的支承体（2），均匀的环绕换向器轴线（8）布置的导体部件(1)，由绝缘胶木压制的内外环形圈（6）（7），和环形内圈裸露的环形导体部件（11）。环形导体部件（11）上设置有多个盲孔（3），留有安置碳片的环形空间（10）。 

 ②制取压制粉,压制粉的松装比为0.5g/cm³～5g/cm³ 。压制粉的配方如下：

石墨粉           30 %      6000目

石墨纤维         30%；       5um

聚四氟乙烯微粉    0.5%        3un

铜粉              38 %       6000目

酚醛树脂          1.5%；      500目

把各配方材料通过混料捏合机捏合混料，时间5小时，获得混合均匀的压制粉。

 ③换向器组件装于压制模具中，并在环形空间（10）上方倒入适量的压制粉（比成品碳片重量多），用模具对换向器组件和压制粉施压，压力大于100kg/cm²，获得镶嵌低密度模制压制粉（14）的换向器组件（以下简称预压组件）（图7）。 

④将预压组件整体用油漆喷涂均匀，待干燥后，在温等静压设备中180℃下施加300/cm²压力，保压5分钟后获得镶嵌高密度静压压制粉（13）的换向器组件（以下简称静压组件）（图3图4）。

⑤将静压组件上的油漆剥除，在热处理设备中烧结20小时获得镶嵌碳片（17）的换向器组件（图8图9）（以下简称碳换向器组件）。

⑥将碳换向器组件通过机加工工设备进行外圆切削，内孔切削，碳平面的切削，碳片与导体部件的切槽，导体部件(1)的端脚加工出金属挂线钩，获得符合成品工艺尺寸的产品。

体（2），导体部件（1）环绕换向器轴线（8）布置，绝缘胶木的选用类型包括热固性树脂和热塑性树脂。用于电机转子挂线用的与换向片数量相等的金属挂线钩（4）或金属嵌线槽，导体部件有裸露金属面（11）用来与碳片接触完成电流的传导，导体部件裸露金属面（11）上有用来锚住碳片的多个盲孔（3），换向器组件与碳刷接触面之间留有用来安置碳片的空间（5），有用来保护碳片的内外环形圈（6）（7）。采用金属或合金制造导体部件（1）。所述的盲孔（3）为圆柱状或六面体状等形状，本实施例该盲孔（3）优选为圆柱状（3）。

通过以上步骤可以获得与换向器紧密结合的碳片，其碳片孔隙小于0.1%抗拉强度大于6N 与导体部件的电阻率小于0.1欧姆，并具有耐磨，耐腐蚀，耐电弧等性能。

实施例2

  包括以下步骤：

制取换向器组件（图1图2），包括由绝缘胶木压制的支承体（2），均匀的环绕换向器轴线（8）布置的导体部件(1)，由绝缘胶木压制的内外环形圈（6）（7），和环形内圈裸露的环形导体部件（11）。环形导体部件（11）上设置有多个盲孔（3），留有安置碳片的环形空间（10）。 

 ②制取压制粉,压制粉的松装比为0.5g/cm³～5g/cm³ 。压制粉的配方如下：

石墨粉           40 %      6000目

石墨纤维         10%；       5um

二硫化钨微粉    0.5%        3un

铜粉              46 %       6000目

聚酰亚胺树脂          3.2%；      500目

把各配方材料通过混料捏合机捏合混料，时间5小时，获得混合均匀的压制粉

 ③换向器组件装于压制模具中，并在环形空间（10）上方倒入适量的压制粉（比成品碳片重量多15%），用模具对换向器组件和压制粉施压，压力大于100kg/cm²，获得镶嵌低密度模制压制粉（14）的换向器组件（以下简称预压组件）（图7）。 

④将预压组件在冷等静压设备中室温下施加10MPA压力，保压10000秒后获得镶嵌高密度静压压制粉（13）的换向器组件（以下简称静压组件）（图3图4）。

⑤将静压组件在热处理设备中烧结20小时获得镶嵌碳片（17）的换向器组件（图8图9）（以下简称碳换向器组件）。

⑥将碳换向器组件（图8图9）通过机加工获得成品（图5图6）。

上述步骤获得的碳换向器如图1-6所示，包括有有绝缘胶木做为支撑体（2），导体部件（1）环绕换向器轴线（8）布置，绝缘胶木的选用类型包括热固性树脂和热塑性树脂。用于电机转子挂线用的与换向片数量相等的金属挂线钩（4）或金属嵌线槽，导体部件有裸露金属面（11）用来与碳片接触完成电流的传导，导体部件裸露金属面（11）上有用来锚住碳片的多个盲孔（3），换向器组件与碳刷接触面之间留有用来安置碳片的空间（5），有用来保护碳片的内外环形圈（6）（7）。采用金属或合金制造导体部件（1）。所述的盲孔（3）为圆柱状或六面体状等形状，本实施例该盲孔（3）优选为圆柱状（3）。

 通过以上步骤可以获得与换向器紧密结合的碳片，其碳片孔隙小于0.1%抗拉强度大于6N 与导体部件的电阻率小于0.1欧姆，并具有耐磨，耐腐蚀，耐电弧等性能。

实施例3

包括以下步骤：

制取换向器组件（图1图2），包括由绝缘胶木压制的支承体（2），均匀的环绕换向器轴线（8）布置的导体部件(1)，由绝缘胶木压制的内外环形圈（6）（7），和环形内圈裸露的环形导体部件（11）。环形导体部件（11）上设置有多个盲孔（3），留有安置碳片的环形空间（10）。 

 ②制取压制粉,压制粉的松装比为0.5g/cm³～5g/cm³ 。压制粉的配方如下：

石墨粉           30 %      6000目

石墨纤维         30%；       5um

陶瓷微粉    0.5%        3un

铜粉              38 %       6000目

酚醛树脂          1.5%；      500目

先以50:1的比例把酚醛树脂在酒精溶解，把其余配方先在混料机中混合均匀，再和酚醛树脂的酒精溶液在混料机中混合均匀，制成混合均匀的流体。

 ③换向器组件装于压制模具中，并在环形空间（10）上方注入满压制粉流体，在干燥箱中干燥后获得镶嵌低密度模制压制粉（14）的换向器组件（以下简称预压组件）（图7）。 

④将预压组件用包套包裹密封，在温等静压设备中180℃下施加400MPA压力，保压1秒后获得镶嵌高密度静压压制粉（13）的换向器组件（以下简称静压组件）（图3图4）。

⑤将静压组件剥除包套，在热处理设备中烧结20小时获得镶嵌碳片（17）的换向器组件（图8图9）（以下简称碳换向器组件）。

⑥⑤将碳换向器组件导体部件(1)的端脚加工出金属挂线钩，获得符合成品工艺尺寸的产品。。

上述步骤获得的碳换向器如图1-6所示，包括有有绝缘胶木做为支撑体（2），导体部件（1）环绕换向器轴线（8）布置，绝缘胶木的选用类型包括热固性树脂和热塑性树脂。用于电机转子挂线用的与换向片数量相等的金属挂线钩（4）或金属嵌线槽，导体部件有裸露金属面（11）用来与碳片接触完成电流的传导，导体部件裸露金属面（11）上有用来锚住碳片的多个盲孔（3），换向器组件与碳刷接触面之间留有用来安置碳片的空间（5），有用来保护碳片的内外环形圈（6）（7）。采用金属或合金制造导体部件（1）。所述的盲孔（3）为圆柱状或六面体状等形状，本实施例该盲孔（3）优选为圆柱状（3）。

 通过以上步骤可以获得与换向器紧密结合的碳片，其碳片孔隙小于0.1%抗拉强度大于6N 与导体部件的电阻率小于0.1欧姆，并具有耐磨，耐腐蚀，耐电弧等性能。

Claims (8)

1.一种碳换向器的制造工艺，其特征在于包括以下步骤：

  ①制取换向器组件，包括由绝缘胶木压制的支承体（2），均匀的环绕换向器轴线（8）布置的导体部件(1)，由绝缘胶木压制的内外环形圈（6、7），和环形内圈裸露的环形导体部件（11），环形导体部件（11）上设置有多个盲孔（3），留有安置碳片的环形空间（10）；

 ②制取压制粉，压制粉的松装比为0.5g/cm³～5g/cm³ ；

 ③换向器组件装于压制模具中，并在环形空间（10）上方倒入多于成品中的碳片总重量的压制粉重量，用模具对换向器组件和压制粉施压，压力大于100kg/cm²，获得镶嵌低密度模制压制粉（14）的预压组件，该低密度模制压制粉孔隙度不大于30%； 

 ④将预压组件用包套包裹密封，放置在等温静压设备中以90℃-500℃温度下施加10MPa～400Mpa压力，保压1秒～10000秒后获得镶嵌高密度静压压制粉（13）的静压组件；

 ⑤将碳换向器组件通过机加工设备进行外圆切削，内孔切削，碳平面的切削，碳片与导体部件的切槽，导体部件(1)的端脚加工出金属挂线钩，获得符合成品工艺尺寸的产品。

2.根据权利要求1所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于： 所述的步骤 ④和⑤之间还添加步骤⑥：将静压组件剥除包套，在热处理设备中烧结1-50小时，消除内应力和完成树脂的固化或交联，获得镶嵌碳片（17）的碳换向器组件。

3.根据权利要求2所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于：所述步骤①制取的换向器组件包括有绝缘胶木做为支撑体（2）和用于电机转子挂线用的与换向片数量相等的金属挂线钩（4）或金属嵌线槽，所述导体部件（1）环绕换向器轴线（8）布置，导体部件有裸露金属面（11）用来与碳片接触完成电流的传导，导体部件裸露金属面（11）上有用来锚住碳片的多个盲孔（3），换向器组件与碳刷接触面之间留有用来安置碳片的空间（5），有用来保护碳片的内外环形圈（6、7）。

4.根据权利要求3所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于：压制粉由填料和粘结剂通过混料、捏合、粉碎制成，该粘结剂为未熟化的热固性树脂或热塑性树脂，该压制粉中含有的粘结剂质量比例占压制粉重量的0.1%～10 %，压制粉中含有的填料质量比例占压制粉重量的90%～99.9%，所述填料从碳粉、石墨、金属粉、金属化合物、陶瓷、纤维和纳米材料中一种或多种组合而成。

5.根据权利要求3所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于：换向器组件上有盲孔（3）被碳片（9）填充，所述的盲孔（3）为圆柱状或其他不规则形状凹坑。

6.根据权利要求1所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于：步骤③可使用的另一种方法是把压制粉制成流体，然后把流体注满环形空间（10），待流体中的溶剂或液体挥发后，进入步骤④处理，或者不待溶剂或液体挥发而直接进入步骤④处理。

7.根据权利要求4所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于：所述压制粉的组分比例为，以质量份数计：

      填料         98%；

      粘结剂       2%；

其中填料成份如下

填料       石墨粉            30%；     

石墨纤维          30%；  

聚四氟乙烯微粉    2%；     

导电陶瓷          8；        

铜粉              30%；     

粘结剂成份如下

      粘结剂      酚醛树脂          100%。

8.根据权利要求1所述的一种碳换向器的制造工艺，其特征在于：所述步骤④中还进行压力介质预热，预热温度范围为室温至450℃之间。

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