Как сделать угольную щетку: руководство своими руками и производственный процесс

Вы можете сделать угольная щетка дома или в небольшой мастерской, но для этого требуется специфическое сырье, точная обработка и высокотемпературный процесс спекания. Угольная щетка — это скользящий электрический контакт, обычно изготовленный из сжатой смеси углерода, графита и связующих веществ, используемый для передачи тока между неподвижной и вращающейся частью двигателей, генераторов и генераторов переменного тока. Изготовление угольных щеток своими руками возможно для низковольтных и слаботочных приложений. , но щетки промышленного класса требуют контролируемого спекания при температурах от 800°C до 1200°C и точного соотношения материалов, которые трудно воспроизвести без надлежащего оборудования.

Из чего сделана угольная щетка

Понимание состава угольной щетки — первый шаг к ее изготовлению. Смесь материалов напрямую определяет электропроводность, коэффициент трения, скорость износа и диапазон рабочих температур.

Четыре основные категории материалов, используемых при производстве угольных щеток:

• Угольно-графитовый — смесь природного или синтетического графита и аморфного углерода; общего назначения и широко используется в небольших двигателях
• Электрографитовый — углерод, прошедший термообработку при температуре выше 2500°С для преобразования его в более упорядоченную графитовую структуру; обеспечивает низкое трение и выдерживает высокие скорости
• Графит — преимущественно природный графит с минимальным количеством связующих; используется там, где требуется очень низкое трение, но плотность тока умеренная
• Металл-графит — графит, смешанный с медным, серебряным или оловянным порошком (обычно 30–90% металла по весу); используется для сильноточных и низковольтных устройств, таких как автомобильные стартеры.

Для угольной щетки, сделанной своими руками, углеграфит — наиболее практичный исходный материал потому что его ингредиенты доступны, и он спекается при более низких температурах, чем электрографитовые сорта.

Сырье, которое вам понадобится

Прежде чем начать, подготовьте следующие материалы. Качество и чистота имеют значение: примеси в графитовом порошке могут увеличить удельное сопротивление до 40 % и ускорить износ коллектора.

Стандартная смесь углеграфитовых щеток расходует примерно 60–70% графита, 20–30% технического углерода и 10–15% связующего по массе. . Отрегулируйте соотношения в зависимости от требуемой твердости: чем больше технического углерода, тем выше твердость и износостойкость; больше графита снижает трение и контактное сопротивление.

Необходимые инструменты и оборудование

Изготовление угольной щетки — это многоэтапный процесс, включающий подготовку порошка, уплотнение и термическую обработку. Вот необходимый минимум оборудования:

• Прецизионная шкала — для взвешивания порошковых компонентов с точностью до 0,1 г.
• Шаровая мельница или ступка с пестиком — для смешивания и гомогенизации порошков; шаровая мельница производит более однородную смесь
• Стальная матрица и гидравлический или механический пресс. — для холодного прессования порошковой смеси в сырую (необожженную) прессовку; давление от 50 до 200 МПа типичны
• Высокотемпературная печь или печь — способны достигать температуры не менее 800°С в контролируемой атмосфере; критически важен для спекания и карбонизации связующего
• Подача инертного газа (азота или аргона) — для предотвращения окисления при спекании; без него карбоновый компакт будет гореть, а не спекаться
• Прецизионные режущие инструменты или плоскошлифовальный станок. — для окончательного придания формы и размеров после спекания
• Мультиметр и тестер сопротивления — для проверки электрических свойств готовой щетки

Пошаговый процесс изготовления угольной щетки

Шаг 1 — Приготовьте и смешайте порошковую смесь

Взвесьте графитовый порошок, углеродную сажу и связующее в соответствии с целевой формулой. Объедините их в шаровой мельнице и бегите от 2 до 4 часов для достижения однородной смеси. Если в качестве связующего используется каменноугольный пек, осторожно нагрейте его примерно до 100°C, чтобы размягчить перед смешиванием, затем дайте объединенной смеси остыть перед прессованием. Неравномерная смесь приводит к появлению слабых мест в готовой щетке, которые вызывают преждевременное растрескивание или неравномерный износ.

Шаг 2 — Холодным прессованием смеси превратите ее в зеленую прессовку.

Заполните стальную матрицу смешанным порошком и создайте давление с помощью гидравлического пресса. Постепенно нажимайте и удерживайте максимальное давление в течение 30–60 секунд, чтобы позволить частицам сцепиться. Полученная «зеленая прессовка» должна держать форму, не крошась. Ориентируйтесь на плотность зеленого сырья примерно от 1,6 до 1,9 г/см³. для стандартной угольно-графитовой щетки. Недопрессованные прессовки трескаются во время спекания; чрезмерно спрессованные прессовки могут расслаиваться.

Шаг 3 — Спекание в печи с контролируемой атмосферой

Поместите неспеченные прессовки в печь и продуйте инертным газом перед повышением температуры. Используйте контролируемую скорость изменения скорости — обычно от 2 до 5°C в минуту - чтобы позволить связующему постепенно карбонизироваться без растрескивания прессовки. Выдержите заданную температуру спекания (800–1000°C для углеграфитовых марок) в течение 1–3 часов, затем медленно охладите в инертной атмосфере. Быстрое охлаждение приводит к появлению трещин от термического напряжения.

Шаг 4 — Обработка до окончательных размеров

Как только спеченный блок остынет до комнатной температуры, разрежьте и отшлифуйте его до необходимых размеров щетки. Углерод хрупкий — используйте отрезные круги с алмазными напайками или тонкие твердосплавные инструменты. Соблюдайте размерные допуски в пределах ±0,1 мм для правильной установки в держателе щеток. Плохо подогнанная щетка будет стучать по коллектору, вызывая возникновение электрической дуги и ускоренный износ как щетки, так и поверхности коллектора.

Шаг 5 — Прикрепите шунтирующий провод (косичку)

Для большинства угольных щеток требуется гибкий медный шунтирующий провод для соединения корпуса щетки с клеммой держателя щетки. Просверлите небольшое отверстие в верхней части щетки, вставьте многожильный медный провод и закрепите его проводящей эпоксидной смолой или вставьте в отверстие медную заклепку. Шунтирующий провод должен иметь по крайней мере такая же токовая нагрузка, как и сама щетка — Провода меньшего размера создают точки перегрева и потери сопротивления в точке подключения.

Шаг 6 — Притирка контактной поверхности

Контактная поверхность щетки должна соответствовать кривизне коллектора или контактного кольца, на котором она будет ездить. Поместите мелкозернистую наждачную бумагу (зернистость от 320 до 600) вокруг оправки, соответствующей диаметру коллектора, и вручную притирайте поверхность щетки до достижения полного контакта. Полный контакт с лицом — в идеале 100 % площади поверхности кисти. — предотвращает искрение и неравномерность распределения тока во время работы.

Ключевые свойства качественно изготовленной угольной щетки

После изготовления проверьте угольную щетку на соответствие следующим целевым свойствам, чтобы убедиться, что она пригодна для использования:

Более простые альтернативы для мелкого ремонта и приложений с низким энергопотреблением

Если ваша цель — временно отремонтировать или заменить изношенную щетку в небольшом приборе, а не производить ее из необработанного порошка, есть более быстрые практические подходы:

Перепрофилирование изношенной угольной щетки

Если существующая угольная щетка изношена неравномерно, но в ней еще достаточно материала, зажмите ее в тисках и используйте мелкую наждачную бумагу на плоской поверхности, чтобы восстановить квадратную форму изношенной поверхности. Повторно притирайте контактную поверхность к радиусу коммутатора, как описано в шаге 6. Это может продлить срок службы за счет от 30 до 50% когда у кисти все еще остается хотя бы половина ее первоначальной длины.

Вырезание замены из графитового блока

Промышленные графитовые заготовки и блоки коммерчески доступны в стандартных размерах и классах (например, электроэрозионный графит представляет собой мелкозернистый, однородный материал, пригодный для использования кистью). Вы можете вырезать сменную щетку прямо из графитового блока с помощью пилы с мелкими зубьями, а затем отшлифовать ее до нужного размера. Это самый практичный метод своими руками. для замены щеток в небольших электроинструментах, двигателях беговых дорожек или настольных шлифовальных станках без полной установки для спекания. Графитовые заготовки стоят всего от 5 до 20 долларов за блок в зависимости от марки и размера.

Использование стержня карандаша для миниатюрных приложений

Для очень маленьких хобби-моторов или образовательных проектов механический карандашный стержень (диаметром 0,5 или 0,7 мм, класс от HB до 2B) является удивительно эффективным самодельным материалом для угольных щеток. Содержание графита высокое и стабильное. Этот метод подходит только для токи ниже 100 мА и напряжения ниже 12 В — Грифель карандаша имеет высокое удельное сопротивление по сравнению со специальными щетками и быстро выйдет из строя при любой значительной электрической нагрузке.

Распространенные дефекты и как их избежать

Неисправности изготовления угольных щеток почти всегда связаны с одной из этих пяти причин:

1. Растрескивание во время спекания — вызвано слишком резким изменением температуры или неравномерным распределением связующего; замедлите скорость изменения температуры до 2°C/мин и улучшите перемешивание
2. Чрезмерная пористость — результат недостаточного давления прессования или слишком малого количества связующего; увеличить давление прессования или содержание связующего на 2–3%
3. Высокое удельное сопротивление — вызвано окислением при спекании (плохое уплотнение инертным газом) или загрязнением графита; проверить атмосферу в печи и получить порошок более высокой чистоты
4. Быстрый износ в процессе эксплуатации — щетка слишком мягкая (слишком много графита, недостаточно технического углерода) или несоответствующее давление пружины щетки; типичное давление пружины для углеграфитовых марок составляет от 15 до 35 кПа
5. Оценка коммутатора — щетка слишком жесткая или содержит абразивные примеси; уменьшите содержание технического углерода и убедитесь, что размер частиц порошка находится в пределах спецификации

Когда делать или покупать угольную щетку

Производство угольной щетки из сырья — значимое мероприятие, которое имеет смысл только в определенных сценариях. В большинстве случаев покупка сменной щетки у OEM-поставщика или специализированного производителя угольных щеток оказывается быстрее, дешевле и надежнее.

Подумайте о том, чтобы сделать угольную щетку своими руками, если:

• Оригинальная щетка устарела, и замены ей в продаже нет.
• Вам нужен нестандартный размер, форма или марка материала, которые не предлагаются стандартными поставщиками.
• Вы разрабатываете прототип двигателя, и вам необходимо быстро изменить свойства материала щетки.
• Вы находитесь в регионе, где сроки поставки импортных щеток превышают оперативные потребности.

Для обычных бытовых приборов — электрических дрелей, угловых шлифовальных машин, вакуумных двигателей или беговых дорожек — Сменные угольные щетки обычно стоят от 3 до 15 долларов за пару. и доступны у производителей или поставщиков послепродажного обслуживания. В этих случаях вырезание замены из графитовой заготовки является наиболее экономным по времени вариантом самостоятельного изготовления, в то время как полное изготовление на основе порошка лучше всего использовать в индивидуальных или промышленных условиях.