改进的制造交流发电机极靴的方法

专利名称：改进的制造交流发电机极靴的方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的制造交流发电机极靴的方法。在汽车中，交流发电机是通常采用的并通过交流发电机和汽车发动机之间所连接的皮带加以驱动。交流发电机的转动导致电功率(电力)的产生，电功率主要可对汽车所带的蓄电池加以充电，因此，汽车发电机可按需而方便地加以启动。在现在用在车辆的交流发电机中，转子以每分钟15,000至22,000转的速度旋转。目前，在汽车工业，为了以最低价格提供最好交流发电机，存在着许多交流发电机制造商之间的激烈竞争。但是，有关交流发电机的术语“最好”的定义始终不易于充分理解。最佳交流发电机把轻重量和紧凑尺寸结合起来，但另一方面提供高功率输出和低噪声。任何交流发电机的核心是总共为2个的极靴，极靴以彼此相面对的关系安装在转子轴上，并在其间装进转子线圈。极靴的结构对提高交流发电机的功率输出是决定性的，同时，极靴是交流发电机所产生的最大噪声源之一。
令人遗憾地，被用来减小由极靴的结构引起的噪声的措施经常相反地(有害地)影响其功率输出。此外，极靴指状部的重心位置大大地影响转子和定子之间间隙的特定结构。在这方面，随着极靴的重心被最佳化和极靴以最适宜方式加以制造，在转子的高旋转时极靴的指状部就很少能向外弯曲。这样，重心的最佳位置有助于使转子和定子之间的间隙变窄，而因此提高交流发电机的功率输出。但是，如果不能优选极靴指状部的重心位置，那么上述间隙一定会增加，说明在高速转动时，极靴的指状体将有向外挠曲的可能性，因此碰撞并损坏定子和交流发电机本身。在这方面，极靴用冲压成形方式加以制造，而接着是其指状部弯离冲压的平面，一些指状部的晶粒的方向与相当于指状部和基面之间的角度的极靴的基面相比，处在一锐角上。在这种情况下，在转子的高速转动期间，指状部抗弯的能力被减小。这样，当极靴用冲压成形方式加以制造时，转子和定子之间的间隙一定得到增加，说明在高速转动期间，极靴的指状部将有向外弯曲的可能性。
因此，从以上说明中应该了解到，作为交流发电机转子的极靴的结构必然包含折衷办法。
在目前水平的技术状态下，汽车制造商目前已开始按交流发电机的尺寸和重量且提供足够的功率输出而致力于采取减少噪声的步骤。为增加通过极靴的空气流动而不引起发生噪声的紊流，改变了极靴的形状和构型。照此，已经提出，一种迫切要求最佳化交流发电机的功率输出的工艺，其中，极靴指状部已被设计成提高噪声降低大于提高功率的输出，因而找到了这两个参数之间的最好的折衷办法。主要是考虑到这一问题，本发明的方法才得以改进。
在另一方面，使交流发电机的转子和定子的电线圈保持尽可能低的温度是重要的。这样，在过去，人们都已知道在转子壳体外的转子轴上至少有一安装在轴上的通风风扇。通风风扇经过一系列在转子壳体中所形成的槽与壳体内部相连通。在文本的

图1中具体地示出了这种结构，由于通风风扇和转子之间的分离，通风效率差(低)。此外，转子壳体上的多个槽的应用会引起噪声产生方面的增加，这种增加对汽车工业来说是不可接受的。由于铜的电阻率随温度的增加而提高，交流发电机的有效通风是使铜的电阻率保持得相当低。因为铜的电阻率与电流强度成反比，随着温度增加，在交流发电机的线圈中的电流强度将必然降低。因为磁通量与电流强度成正比，交流发电机的功率输出与其温度直接有关。这样，一种对冷却交流发电机的有效系统的要求已经提出，该系统不会明显地增加其噪声的产生。
本发明涉及一种改进的制造交流发电机极靴的方法，本发明方法包括下列相互有关的目的、方面和特点(A)在第一方面，在制造根据本发明的交流发电机极靴中，在冷剪切工序，把一钢棒分割成一些小块。各块分割钢棒的尺寸根据所需的体积加以确定，该体积则以初始热锻的极靴作对照。
(B)其次，将各块所分割钢棒加热到稍低于钢的熔化温度，因此，每块钢棒是柔软的(可变形的)。此后，在热锻压床上把每块加工成通常类似于成品极靴的初始形状。此热锻工序包括三个子工序，其第一子工序包含压平该块，接着将其放置在两按序成套的半工具之间，该两半工具被紧压在一起以形成极靴的初始的第一形状。
(C)然后，初始形状件加以喷丸处理以除去诸如鳞片和二氧化铁的表面缺陷，此后是在一系列磷酸盐浴池中加以化学处理。这种磷酸盐工序也称作为磷酸盐被膜防锈处理。磷酸盐被膜防锈处理工序给极靴的表面提供润滑，它增加了接着的冷精压加工的有效性。
(D)此后，初始加工形成件经受冷精压工序，其中，初始形成件在高压下加以挤压以提供厚度的减小，而同时压平钢的晶粒结构，从而形成第二形状。一方面，在初始加工形成件结构的厚度减小可以为10％那么多。在另一方面，申请人已想出一在初始加工形成件上进行冷精压加工工序的方法，该方法引起在加工形成件的某些区域中所施加的力大于另一些区域中所施加的力，从而使在一些区域中的加工形成件的晶粒形态不同于在另一些区域中的。另外，由于本发明极靴是由低碳钢制成的，在冷精压加工期间可以形成直线排列的扁平晶粒。一实现冷精压工序的附加原因是从初始加工的极靴中消除其表面上的弯曲，这对促进从热锻压床中取出初始加工形成的极靴是必要的。在这方面，在成品极靴中，要求一些表面彼此相垂直，不过，假如这些垂直表面是在热锻压工具中加以形成的，初始加工形成的极靴就不容易从实行制造加工的工具中移出。由此可见，在热锻锻压工具中形成与垂直线的少量的偏离是必要，以促使易于从热锻锻压工具中取出初始加工形成的极靴。在冷精压工序期间，所要求的垂直性是作为金属加以挤压所提供的。在冷精压加工过程中，执行切毛边工序，将从初始加工形成工件中切去一圆周废边件，废边形成在热锻工序期间所采用的工具的一些表面的的连接处。
(E)在冷精压和从冷精压工件的周面中切去废边之后，冷精压工件经受两级加工处理，申请人把这两级加工处理描写成“全精整”冷精压工件。这种两级全精整加工包括一加工硬化工序和一通过极靴的中心形成一孔的两级加工处理，此后，该孔将接纳交流发电机的转轴，而两级加工处理包括一加工硬化工序和一弯曲工序。此外，全精整加工包括一唯一的挤压工序，挤压工序的作用是为使极靴中的孔得以精确地形成，孔具有圆柱形的形状并位于极靴的中心位置。这对避免所得到的交流发电机转子的转动上的不平衡来说是必需的。全精整加工产生第三和最后的极靴形状。
(F)此后，全精整极板经受pH14浴，以从其表面上除去硬脂酸锌，然后，通过使它受到加热和在控制气氛中的冷却循环加以退火，正如将在下面加以详细说明。已经发现金属表面上出现的硬脂酸锌阻碍了有效的焊接。这样，通过清除金属表面上的硬脂酸锌，就可将通风风扇焊接在各极靴的背面上。退火工序的作用是使在极靴内的晶粒结构得以膨胀以加强导磁率，从而使磁力得以在交流发电机转子极靴和定子之间的磁回路中更自由地通过极靴。申请人已发现用于退火工序的温度范围，在此温度范围内，可将扩大(膨胀)的晶粒结构得以加强到最优化程度。此外，经特殊安排的冷却时间是用于控制进入晶粒结构的碳化物和珠光体的程度，最佳的是，为了优化导磁率，出现在低碳钢内部的珠光体是在晶粒结构内部扩散的。此外，冷却时间是用于在晶粒接合处提供最佳的沉淀碳化物以加强机加工成品极靴的能力。如果冷却进行得太快的话，碳化物不扩散入晶粒的连接处，从而使极靴难以加工。所使用的惰性气氛包括氮和氢的组合，可在退火过程中，阻止在极靴表面上的氧化作用。
(G)按照本发明描述所制取的极靴材料的导磁率与曲其它专利制取的极靴的相比，具有加强到最优化程度的导磁率。由此，按照本发明的方法所制取的极靴，其指形状部设计成提高噪声的降低，同时优化按本发明的方法所制取的带有极靴的交流发电机的功率输出。因为按照本发明的方法制取的极靴是采用锻压工艺以形成与极靴其余部分的晶粒结构平行的极靴指状部的晶粒结构，因此，当转子以高速旋转，例如每分钟为1500—22000转的速度时，置于极靴上的指状部是很坚强的和抗弯曲能力是十分大的。这可与极靴由冲压加工形成，接着将指状部弯曲成最终构型作对比。如上所述冲压加工成的结构在转子以高速旋转时，置于极靴上的指状部的抗弯曲能力是不大的，因而，交流发电机必须设计得在转子和定子之间具有较大的间隙极靴，而使用按照本发明形成极靴的交流发电机，在转子和定子之间具有较小间隙且具有加强的功率输出。
由此，本发明的第一目的是提供一种制造交流发电机极靴的改进工艺。
本发明的另一目的是提供这样一种改进工艺，它包括加强成品极靴晶粒结构和其导磁率的各种特定设计的工序。
本发明还有另一目是使用一降低成本的全精整工艺定由冲压、弯曲和机加工成两部件(极靴)工序所组合成的。
本发明还有一另外的目的是提供一种包括在惰性气氛内进行退火工序的工艺。
本发明的这些和其它目的，形状和特性将从下述的与附图结合的优选工艺的详细说明得以充分理解。
图1表示一装有根据本发明的方法制造的极靴的交流发电机的局部透视图2表示一按所组合的另一交流发电机结构的横截面视图；图3表示一由冷剪切所形成的细长钢棒的一部分；图4，5和6表示通过用来对图4所示的细长钢棒部分进行热锻加工的工具所作的各横截面视图；图7，8，9和10表示通过所描述的本发明的冷精压加工的工具和装在工具中的极靴所作的各横截面视图；图11表示一通过用作本发明的全精整加工第一工序的第一部分的工具和装在工具中的极靴所作的横截面视图；图12表示一通过用作本发明的全精整加工的第一工序的第二部分的工具和装在工具中的极靴的横截面视图；图13表示一通过用作本发明的全精整加工第二工序的第一部分的工具和安放在工具中的极靴所作的横截面视图；图14表示一通过用作本发明全精整加工第二工序的第二部分的工具和安放在工具中的极靴所作的横截面视图；图15表示一本发明的退火工序的时间和温度的关系曲线的图表；图16表示一通过用来对根据本发明所制造的极靴作电测量的环形形状的横截面视图；图17表示一确定其晶粒结构待加以分析的某些区域的极靴的一部分；图18、19和20是表示在图17所示的各区域，极靴未进行退火的晶粒结构的金相照片；图21、22和23分别直接对应于图18、19和20，但是，极靴已按照本发明的方法加以退火的金相照片；图24是一根据本发明的方法制造的极靴与竞争者的极靴相比较的泰拉斯磁感应与每毫米安培匝的关系曲线的图表；图25是一与图24中同样的极靴相比导磁率与安培电流的关系曲线的图表。
首先，请参阅图1和2，它们分别表示其中装有根据本发明的说明所制作的极靴的、两种不同交流发电机的部分分解透视图和横截面视图。在图1中，交流发电机通常用参考数字10来表示并可看到其包含两半壳体11和27，半壳体接纳一固定安装在其内腔内的定子13。一转子15包括若干含有一些圆周间隔的指状部19的极靴17，该极靴17以如图1和2所示的端面关系进行安装(配置)。
如在图2的交流发电机中所明显看到，一线圈21被装在转子15’的极靴17’的指状部19’内。转子15’具有一安装在轴承25上可在定子13’内转动的轴23。另外，各极靴17’具有一接纳轴23的定径中心开孔20。所提供的壳体11’和27’可使定子13’和转子15’对准中心，其中，转子具有一通风风扇29’，它被牢固地焊接在各极靴17’(图2)上并被迫与转子一起运动以使交流发电机通风。图1表示安装在壳体11、27外侧的通风风扇29的一可交换的实施例。图2表示另一可替换的实施例，其中，一些风扇叶片29’直接被焊接在每一极靴17’上并可与极靴同时转动。
考虑到图1和2的以上说明，对根据本发明制造的极靴17、17’采用优先选用的特定环境的了解应该加以很好理解。
在实施本发明的工艺过程中，申请人发现使用低碳钢会由于在经受本发明加工工艺时，其晶粒结构的作用而使制成的极靴导磁率增加。除了碳以外，在申请人采用的低碳钢中通常可找到的其它残留的痕量元素包括Cr、Mo、Ni、Co、Cu、Nb、Ti、V、W、Pb、B、As、Sc。如以下将详细加以说明，这些痕量元素在中间退火工序期间对晶粒结构的形成起到重要作用。
申请人发现一制备热锻钢件的最佳方法包括得到冷剪切成多段(图3)的、细长棒形钢材，每一段钢体积具有约相当于热锻后极靴的体积。普通技术人员以所熟悉的方式截断棒钢后，把各个切断的钢件加热到稍低于其熔化温度，以便钢材是可稍微弯曲的。此后，把各段各自地供给到三阶段热锻机。
钢件在外形上通常为圆柱形的，具有普通圆形周面和一延伸的纵向轴(线)。在热锻工序(图4)的第一个阶段中，钢件按钢件的纵向轴线垂直于支承件的平面方式安放在支承件上。然后，使钢件受到往复挤压而把它压扁，使钢件在周面(方向)上明显地宽展的同时在前述的纵轴方向上垂直地缩短，对钢件实行的所述显著的宽展是为了保证此材料覆盖此后将采用的工具的整个表面，在另一方面，图4中所示的工序是把在其工序之前的热加工过程中所产生的表面鳞片从钢件中除去的作业。
在热锻工序(图5和6)的第二和第三阶段中，立即把压扁的钢件放在两个半工件之间，而其中，一个半工具是静止的，另一用于往复运动的半工具是相对于静半工具而安装的，故可移动的半工具可以以强大压力进入与第一工件接合以及进入与其间压扁的钢件接合地进行往复运动，以便完成锻压工序，通常使钢件加工成极靴的形状。普通技术人员应该了解，热锻工具的内壁之间形成有很小的钝角；以便于锻压件从工具中移出。在成品极靴中的对应壁将加工得彼此相垂直，但是，如果在热锻工具中的对应壁被做成彼此垂直，那么这会导致难于把热锻的初始形成的极靴从工具中取出。于是，工具的垂直和水平表面之间的形成角度的微小钝角特性使锻压件容易从工具中取出，以便进一步加工。详细参阅图5，压扁的钢件放在图5所示的两个半工具之间加以模压以产生一具有大体上与利用图6所示的工具完成模压工序后的所需体积相同的工件。由于极靴在利用图5的工具实行模压工序后状态下出现，它在外形上是“粗糙的”，倒圆(半径)比其最后所需的倒圆(半径)要大，以便使其材料能更易以可能的最小施力和最小摩擦方式流动。这样，可减少工具的磨损，也可减少损坏工件的几率(或然率)。在极靴已受到图5的工具加工后，利用图6的工具精确地形成冷精在前所需尺寸的极靴，而该极靴尺寸规定为第一形状。
在完成了热锻加工工序之后，各极靴加以喷砂清理。应该理解因为为了便于热锻加工，把钢件(板)加热到稍低于钢的熔化温度，所以在完成了热锻加工后钢材冷却时，一定数量的鳞片和其它表面缺陷在初始形成的极靴表面上是明显看得到的。以上所述喷砂工序可使任何金属鳞片和任何肉眼看得到的表面缺陷易于从初始形成的极靴中除去。
在作为初始形成的各极靴已加以喷砂清理后，各极靴经受鳞酸盐被膜处理(磷化处理)工序，其中，各极靴经受多次浸浴。喷砂清理和磷酸盐被膜处理在钢铁零件制造业中是众所周知的，而且在此所实行的这些工序也是常规的。磷酸盐被膜处理工序可给极靴的表面提供润滑，它确保了接着的冷精压加工的有效性。
此后，各极靴经受图7至10中所示的冷精压加工。在冷精压加工中，极靴安放在一工具内，第二工具以50.000至70.000磅/吋2的压力范围下相对其加以压缩，从而挤压金属并把其尺寸减小达10％。同时，用于冷精压的工具的周面是特别加工形成的，以便除去钝角，而这些钝角在开始对促使最初形成的极靴从热锻工具中取出是必需要的。这样，在完成冷精压工艺过程后，上述表面根据成品极靴所要求的彼此垂直。冷精压加工形成了第二中间形状。
如各个图所示，极靴具有一称为“半芯”的中心突起部分。在冷精压加工中，随着金属被挤压在一起，金属的晶粒结构变得扁平，因而，使其尺寸减小。由于如诸图中所看到的“半芯”的尺寸，以及如图7至10中所示的工具的特殊(特定)尺寸，大面积的半芯使其在冷精压过程中接受更大压力，因此，在半芯上挤压力大于极靴的另一些区域中的挤压力。实际上，极靴的“半芯”可接受达两倍的极靴周面的挤压力。申请人已发现可通过设计冷精压设备来提供对“半芯”上的增强挤压力，当在退火过程时加热后，“半芯”中的晶粒变成很大的。因为“半芯”是取自交流发电机的线圈的磁通量源，“半芯”中的较大晶粒的存在允许磁力穿过半芯而较自由的流动，换句话说，存在较高的导磁率。
请参阅图7至10，图7表示在施加任何压力前，放置在冷精压设备的两半工具之间的极靴。图8表示冷精压设备的上半部或冲模(冲头)部分以进入与极靴接合方式往复运动并使极靴向下移动，因此，冲模的周边与底部工具凹槽的开口接合，以把模锻毛刺从极靴的周面中切去。此时在冷精压加工中，在极靴的表面上不施加明显的压力。将图8和7作对比，很明显图7和图8之间的向下移动只具有(a)把模锻毛刺从极靴的周边中切除和(b)把极靴插入在底部半工具中所形成的凹槽内。
此后，如图9所示，使上部半工具或冲模(冲头)往复地进入与面向上的极靴表面接合，从而改变指状部以及“半芯”的外表面的形状。在图10中，可看到冲头的再往复运动使压力作用在极靴的整个表面上。从图10中可了解到指状部的顶部和“半芯”的周面经受到比极靴的其它部位更大压力。这些区域在图17中用数字2来表示，这将在下文中加以详细说明。如下文中所指出施加在如图17所述的区域2上的较大压力的作用是为了硬化加工这些表面。
此时，重要的是要指出根据本发明制造极靴所用的方法与现有技术方法比较具有明显的优点。在一种现有技术方法中，极靴被锻压成扁平外形、类似星形，极靴的指状部用弯曲的方法通过扭弯星形的诸尖端加以形成，因此，诸尖端垂直于其中心部分，从而形成类似于本文中所指示的形状的极靴。不过，当采用这种弯曲操作时，极靴的晶粒并不彼此排成一行(对齐)，也就是说，这种极靴的指状部的晶粒处于与中心部分的晶粒垂直的状态。与以上所述相比，在本发明中，由于在锻造操作中形成指状部和中心部无须显著地连续弯曲指状部，整个极靴的所有晶粒通常以同样方向彼此排列一行，从而增强导磁率。由此可见，利用热锻方法形成极靴，首先，通常至少在其最后成形中，比起一些现有技术是一重大的进步。在另一方面，当极靴以上所述锻压成类似星形的扁形外形以及用弯曲的方法通过弯折星形的尖端形成极靴的指状部而加以制成后，该制成的极靴与在根据本发明所制成的极靴中含有整体形成的“半芯”比较，不能包含“半芯”。这样，当交流发电机转子采用诸如现有技术上已知的那些极靴加以构成时，经常必须把一分立的心子插入到诸成对的极靴之间。芯子的各相对面和极靴的诸面对的面之间的固有间隙形成两附加的空气间隙，这些间隙会增加交流发电机的功率输出。和这些问题相反，当极靴根据本发明讲解加以制造时，各极靴均具有“半芯”，当把极靴一起安装到交流发电机转子中后，各个“半芯”的面对的表面彼此靠紧，只形成一单一潜在(可能)的、附加的空气间隙，从而使附加空气隙的功率输出的损失减小一半。
重要的是要强调在根据本发明讲解制造的极靴对接近完全对称的晶粒方向增加了抗弯曲力，而这些弯曲力是在交流发电机的转子高速转动时施加于极靴指状部上的。此外，因为根据本发明讲解制造的极靴包括一整体的“半芯”，所以极靴可在厚度上增加，因此，具有较大的抗弯曲力。
在另一方面，申请人发现当在冷精压加工中挤压低碳钢时，可形成一些直(sfraight)行的扁平(flat)晶粒。在形成极靴的这个阶段上的导磁率的测量显示出低导磁率。这样，重要的是要理解在冷精压加工之后，人们必须使晶粒结构再结晶或将晶粒尺寸(粒变)回复到足够的级别以增强导磁率。
如图7和8中可明显看到在冷精加工期间，对极靴周面加以整修以从中除去在初始热锻加工过程中所形成的废边件。具有尖锐周边的上半工具的移动切割极靴的周面以除去这些废边件，废边件可被抛弃或重新利用。
此后，极靴经受两个工序的阶段的全精整加工。
现在参阅图11，12，13和14，它们表示全精整加工各工序和各阶段的各自的横截面视图，请参阅图11和12，全精整加工的第一阶段用的工具40包括一包围静止工具43，外套41，该工具具有一圆柱形的、直径为X的小开孔45，开孔下面有扩大的加宽室47。
一上下移动的工具49包括一中心开孔51，它可滑动地接纳一往复杆53。杆53我形通常是圆柱形的和具有大于直径X的直径Y。如图11所示，在全精整加工的第一工序的第一阶段中，工具49以进入与极靴17的上表面接合方式往复移动，即可通过往复接合的操作方式使其某些表面加工硬化。关于这一点，现在注意图17，其中，由参考数字2所标注的表面可适当地通过其与上工具49的接合加以加工硬化。
参阅图12，工具49保持其与极靴17的上表面紧密接合，使杆53往复移动以迫使极靴17”半芯”的一部分通过半工具43的孔45进入室47。这种作为挤压的操作是已知的，重要的是要注意与开孔45的直径X比较，杆53的直径较大。它们的直径差使开孔45作为在流体处理工艺技术中所熟悉的起“限制器”的作用。申请人发现利用使开孔45的直径小于杆53的直径，通过杆53在极靴17中所形成的孔可精确地被保持圆柱形的。此外，孔45的限制作用防止了在这个操作结束前由杆53所推压的材料破裂。
现在参阅图13和14，将说明全精整加工的第二工序。应该理解，作为按照图12加工的极靴从工具40中加以取出，而安放在图13的示的工具60内。工具60包括一外套61和一下半工具63，下半工具包括一通向腔67的开孔65。开孔65形状为圆柱形的且具有直径Z。工具60还包括一具有中心孔71的可移动半工具69，开孔71可滑动地接纳一伸长的圆柱形杆73。杆73具有相当于图11和12所示的杆53的直径Y。另外，开孔65的直径Z稍稍大于直径Y，以便在杆73的上下移动穿过开孔65时不出现阻力。在全精整加工第二加工工序的第一阶段中，如图13所示，将极靴安放在半工具63上，使半工具69人进入与其上表面的接合的方式往复运动(冲击)。半工具69具有外周边表面70，该表面按特定规格加工形成以把指状部弯折到一相当于所需成品的形状。
一旦半工具69被上下移动到图13所示的位置，就使杆73往复运动切去一块6和使孔20完全穿过极靴17。开孔65的直径允许杆73不受其壁阻碍滑进孔中。
为了进一步了解在图11至14中所示的加工过程，应该理解在图11和12中所示的半工具49将约40公斤/毫米2的力作用在极靴17上。而杆53将大约130公斤/毫米2的力作用于极靴17上，以促进形成贯穿的孔20。在全精整加工结束后，极靴在其第三和最终的加工形状。
在完成了图11至14中所示的全精整加工后，把极靴经受pH14浴槽的处理，以从其表面上除去硬脂酸锌，以便极靴可设有一被焊接到其表面上的风扇叶片。硬脂酸锌则会阻碍有效的焊接。由于通风风扇是焊接到各极靴的后表面上的，因此交流发电机的有效通风是可能达到的并且其噪声有可能比现有技术设计中的减低得更多。由于提供有效的通风，交流发电机的温度、特别是其铜线圈的温度保持在相当低的水平，而使线圈的铜的电阻率保持相当低的程度，从而增大以上所述的磁通量。在退火处理中，把极靴容装在惰性气氛中以防止其表面的氧化。在优先选用的处理法中，惰性气体由近似95％的氮气和5％的氢气的混合物组成。在现有技术中，为了准备焊接的表面，通常采用机加工和刷光的作业。申请人发现使用pH14浴池是从其表面除去硬指酸锌最有效的方法并且比机加工和刷光作业要经济。因此，必然会减小本发明加工(过程)的制造成本。
参阅图15可更好地了解退火工序，图15表示一详细列出退火处理的温度与时间关系的图表，全精整极靴在一小时十分钟至一小时三十分钟的时间间隔内从环境温度加热到800℃至900℃。此后，极靴在最高温度下保温二十分钟至六十分钟。然后，使极靴在270至310分钟的时间间隔中逐渐冷却回复到近似的环境温度。
申请人发现在冷精压加工过程中，厚度减小的百分比越大，作为有效退火的所需最高温度越低。申请人发现在退火处理的加热相过程的同时晶粒在膨胀，以上所述的痕量元素通过扩散进入晶粒结构中。如果太慢地发生退火的处理的冷却相，铁的碳化物就沉积在晶粒之间的连接处上，如果太快地发生退火的处理的冷却相，称作为在晶粒中的碳和铁的组合物的殊光体贯穿晶粒而扩散。在这种情况下，很少的铁的碳化物沉积在晶粒之间的连接处上。作为最佳的结果，规定冷却的时间，以便使殊光体通过晶粒结构扩散，而铁的碳化物处在连接处。
申请人发现，如果机加工是必需的或恰当的话，若退火的处理的冷却部分进行得太快，得到的极靴就难于机械加工。而且，在这种情况下，材料不易加以切割，而使成品极靴变成非美学的。因此，由于其表面上的扭转(歪曲)，故对弄清何时太快地发生退火处理的冷却部分是容易的。
申请人进一步发现当退火处理的冷却部分是最佳时间范围中进行时，珠光体贯穿金属的晶粒内侧加以扩散，从而最优化导磁率。此外，当冷却时间在270至310分钟内加以优选，铁的碳化物大部分位于晶粒的连接处，可使极靴变成更容易机械加工。
现参阅图17至23，人们会更好了解在实施本发明加工中产生的某一些结果。首先，图17表示一通过含有指状部19的极靴17的一半所作的截面。图17示极靴上的三个区域1，2和3，这三个区域与以下将加以详细说明的图18，19和20以及图21、22和23有关。图18、19和20包括已冷精压但还未加以退火的极靴的图17所示的各个区域1、2和3的显微照相。应特别注意图19，它显示了加工硬化的作用，在区域2的表面上发生的加工硬化作用与图17所示的区域3比较更为明显，区域3相对地未被加工硬化，而区域1被加工硬化的，程度比区域2的要小。
一般，图21、22和23各自相当于图18，19和20，其中，图21表示区域1，图22表示区域2和图23表示区域3(图17中所示区域1，2，3)。不过，在图21、22和23中，极靴已包含880℃的其加热相的加热温度下加以退火。在把图21与图18相比，把图22与图19相比和把图23与图20相比，人们可以容易地看到在一个与另一个相比时，因为退火处理的加热相，晶粒结构的膨胀和晶粒边界的较大差别。这使得可澄清根据本发明所实行的退火处理通过晶粒结构的膨胀提高导磁率、晶粒边界的清晰度和磁路的存在，而磁路的磁通阻力比省去退火工序的情况时要小。
参阅图16，它表示一通过申请人采用的环状体所作的横截面视图，以测试根据本发明所制造的极靴和利用其它方法所制造的极靴相比较的不同的磁和电的特性。
详细参见图16，环状体通常是具有由直径d的圆孔贯穿的圆筒体。环状体具有外径D和、从顶到底的厚度e。在测试根据本发明所制造的极靴的性能中，形成如图16所示的环形体，一方面可使用本文中所揭示的方法，另一方面可使用一竞争性的方法。申请人意识到用于制造形成竞争性的环状体的材料的特定加工工序是不同于本发明的加工(方法)的。环形体可由竞争者利用它们的方法所制成的极靴中加以形成。在所有情况下，环状体设有相等数量的导线的匝数、导线的终端连接到电流的电源。对于各输入电流强度，取下列值的读数Dφ磁通变量 毫韦伯(mWb)
B 磁感应 泰斯拉(T)μ导磁率(没有单位)H 安培匝/毫米(AtZ/mm)根据本发明所制造的环状体80包括下列尺寸D＝40.118mmd＝19.854mme＝10.042mm截面＝((D－d)/2)×e＝101.745mm2磁回路的长度＝94.203mm表1显示了从0.25至5安培的不同电流强度输出的效果竞争有的环状体80包括下列尺寸D＝39.996mmd＝19.938mme＝10.15mm截面＝((D－d)/2)×e＝101.794mm2磁回路的长度＝94.166mm表2表示通过把0.25至5安培强度的电流加到回路所收集的数据。
图24以绘制泰斯拉的磁感应与每毫米的安培匝关系曲线的图表方式把申请人的环形体与竞争者的环形体作比较。很明显，申请人所做的环形体在图表的所有指标上比竞争者的环形体的更有效。
图25描绘了导磁率与电流输入(安培)的关系曲线并也表示申请人的环形体在各电流输入强度的导磁率方面占优势。十分明显，由本发明所提供的导磁率上的主要优点归纳为提高了采用根据本发明所制造的极靴的交流发电机的性能。
表1<
<p>表2<
在制造根据本发明的极板中，现有技术固有的考虑被消除，输出功率、噪声和重量之间的适当折衷方案可以在增强型极靴中加以适当地找到。在这个方面，采用在高温下的热锻造继之以冷精压子工艺使人们可获得高精度可重复的加工形状。而且，根据本发明方法的退火子工序，结果是，晶粒结构的有效再结晶和其同步(同时)膨胀，与现有技术相比可较大程度地提高导磁率。此外，本发明方法和现有技术的一些方法相比，尤其关于在制造加工过程中，为准备所采用的适当工具所需的时间和所花的费用是十分有效果的。在这方面，基于申请人的经验，有可能准备所有根据本发明的制造极靴的工具和制作极靴的制造工艺规程在约一个月和在20,000.00美元至40,000.00美元的费用。与此相比，在现有技术方法中，准备工具和制造工艺规程可能花费六至二十个月和25,000.00至500,000.00美元的费用。
在另一实施例中，申请人的竞争对手的方法由于不采用热锻，全部冷作加工，而需要极高吨位的压床。竞争者的方法对于有可能加以获得的加工形状是十分有限的并且许多表面处理和中间退火工序必须在各个重要工序之间应用以促进材料晶粒的再结晶，避免制造加工过程中的破裂。与本发明的讲解相比，竞争者的方法是昂贵的并缺少韧性。
本发明已根据其最佳实施例如以说明，这些实施例实现了以上规定的各个或每一目的并提供了一新的和有用的改进工艺以制造十分实用新型的交流发动机极靴。
当然，本发明的各种变化、修改和替换可通过本领域普通技术人员加以预料到而不脱离其所预定的精神和范围。
照此，应该想到本发明只通过所附权利要求的加以限定。
权利要求
1.一种制造交流发电机极靴的方法，极靴具有一半芯和多个圆周间隔的指状部，所述方法的工序包括(a)使一块钢材经受热锻加工，其中，用热锻工具把这块钢材加工成一通常类似于成品极靴最后形状的第一形状，它包括一半芯和多个圆周间隔的指状部；(b)至少在一个磷酸盐浴中浸泡所述第一形状以润滑其外表面；(c)使用冷精压工具冷精压所述第一形状以挤压所述第一形状的所述半芯和指状部，从而形成一与第一形状的晶粒结构相比的具有扁平晶粒结构的第二形状，所述第二形状包括一半芯和多个圆周间隔的指状部；(d)全精整所述第二形状包括加工硬化所述第二形状指状部和半芯和形成一穿过所述第二形状的中心开孔，所述形成中心开孔的工序包括将所述第二形状的材料从一限制孔中挤过并将所述指状部弯曲到其最后的外形，从而形成一最后的第三形状；(e)在高碱性浴中浸泡所述第三形状；(f)所述第三形状通过经受20至60分钟的800℃—950℃的温度下的退火继之以在270至310分钟的时间逐渐将其冷却到环境温度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述热锻加工的工序包括(a)把所述一块钢材加热到稍低于其熔化温度；(b)压扁所述这块钢材；(c)把所述这块钢材热锻成类似于所述第一形状的粗制形状；(d)进一步把所述粗制形状热锻成所述第一形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述冷精压工序的子工序包括(a)从所述第一形状的周面切除飞边；(b)在挤压所述指状件同时改变所述指状部的形状，借此提供所述指状部相对所述半芯的垂直度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成工序的子工序包括(a)通过把所述第二形状的材料从一限制孔中挤过以部分地形成所述开孔，从而形成圆柱形开孔和防止所述第二形状的破裂；(b)此后，在保持其圆柱形状的同时完全形成所述开孔，这是通过使杆进入部分形成的开孔内，由此迫使材料从所述第二形状进入非限制的开孔内而得以完全形成所述开孔。
5.删去，无偏见。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在完全形成所述开孔之前立刻出现所形成所述最终第三形状的所述工序。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在浸泡所述第一形状之前，所述第一形状加以喷丸处理以除去表面缺陷。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于至少一种磷酸盐浴包括一系列磷酸盐浴池。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述高碱性浴具有pH14，并且从所述最终的第三形状中除去硬脂酸锌。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述退火工序是在惰性气体中进行的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述惰性气氛包括约95％的氮和约5％的氢的混合物。
12.一种在制造极靴过程时使具有完整半芯的交流发电机极靴的导磁率达到最大的方法，其工序包括(a)热锻一块低碳钢；(b)冷精压这块钢材以将其挤压它并形成一些直排的平晶粒；(c)通过将所述这块钢材加热到800至950℃的温度范围内，所述温度范围内保温20至60分钟，然后，逐渐地使这块钢材在270至310分钟范围内冷却到环境温度，以进行所述这块钢材的退火，所述退火工序引起所述这块钢材内的晶粒结构的膨胀且使导磁率达到最大。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述退火工序引起所述半芯内的晶粒结构的膨胀。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述退火工序在非含氧气氛中进行。
15.删去，没偏见。
16.删去，没偏见。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于所述高碱性浴具有酸碱度pH14。
18.一种增强噪声强度和输出的功率之间的综合平衡的制造交流发电机极靴的方法，其工序包括(a)生产一具有所设计的向外形状和构型的极靴以使在所述极靴的转动时的噪声强度减至最少；(b)热锻所述极靴以增大其指状部和其半芯之间的晶粒的直线排列；(c)冷精压所述极靴继之以对所述极靴加以退火；以增加其中晶粒的直线排列和尺寸，从而使导磁率增至最大，因此，输出功率的交流发电机具有一带有两相面对极靴的转子，所述退火工序包括把所述极靴升温到800℃至950℃的温度范围内，在所述温度范围内保温20至60分钟，然后，使所述极靴在270至310分钟内逐渐冷却到环境温度。
19.根据权利要求18所述的温度，其特征在于所述生产工序包括使所述指状部都具有所确定位置的各自重心的设计工序，以将在所述交流发电机中所述指状部向外弯曲，减低到最小，借此，使所述交流发电机的转子和定子之间的间隙变成极小的，所述间隙的最小值将使功率输出达到最高值。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述精压工序包括挤压所述极靴的工序。
21.一种全精整热锻交流发电机极靴的方法，其工序包括(a)在不加热所述表面情况下，加工硬化所述极靴的表面；(b)在不加热所述极靴下，通过使用一单一往复运动杆把其材料从限制孔中挤过以在所述极靴中局部地形成一孔；(c)在不加热所述极靴下通过将所述材料冲压而穿过一排限制孔。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于所述极靴包括多个圆周间隔的指状部，所述方法包括在所述部分形成工序后，将所述指状部弯折成其最后构形的工序。
全文摘要
一种改进的制造交流发电机极靴的方法寻求最恰当地解决制造交流发电机极靴中的噪声减低、功率输出、导磁率、材料的强度和重心的优选关系。本发明的方法工序包括热锻、喷丸、碳酸盐防锈处理、冷精压、两级全精整工序和退火工序，其中，两级全精整加工包括一挤压子工序和一弯曲子工序。本发明工序导致制造易于操作以及具有高交流发电机输出的交流发电机极靴。
文档编号B21K1/74GK1118638SQ94191341
公开日1996年3月13日 申请日期1994年12月29日 优先权日1994年1月3日
发明者安德烈欧仁戈法尔 申请人:汤姆·吉诺工场