加工方式對(duì)無(wú)取向電工鋼疲勞性能的影響

杜麗影　薛　歡　李榮鋒　劉　冬　余　立　彭志英

(武鋼研究院　湖北　武漢:430080)

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加工方式對(duì)無(wú)取向電工鋼疲勞性能的影響

杜麗影薛歡李榮鋒劉冬余立彭志英

(武鋼研究院湖北武漢:430080)

摘要以30WGP1600無(wú)取向電工鋼為研究對(duì)象，通過(guò)掃描電鏡、X射線衍射儀等設(shè)備，探討了線切割和激光切割加工方式對(duì)電工鋼疲勞壽命的影響及其原因，結(jié)果表明：激光切割加工方式大幅提高了材料的疲勞壽命。其主要原因由于激光切割試樣邊部產(chǎn)生薄的硬化層，并對(duì)試樣表面引入較大的殘余壓應(yīng)力，且上下表面應(yīng)力比的絕對(duì)值較小。

關(guān)鍵詞加工方式;電工鋼;疲勞性能；激光切割；線切割；疲勞壽命

電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)承受循環(huán)變化的離心力作用[1-3]，從安全使用角度考慮，電機(jī)用電工鋼的疲勞性能已引起高度重視。為了試驗(yàn)的可操作性和節(jié)約成本，一般用實(shí)驗(yàn)室小批量測(cè)試的材料疲勞性能來(lái)指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)。

為了得到可靠的疲勞性能，疲勞試樣的制備非常關(guān)鍵。因電工鋼試樣超薄，在加工試樣過(guò)程中，易產(chǎn)生加工硬化和變形，從而影響材料的疲勞性能的可靠度，選擇合適的加工方法至關(guān)重要。激光切割和線切割主要用于小批量生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，本課題重點(diǎn)試驗(yàn)并分析了激光切割和線切割對(duì)電工鋼疲勞壽命的影響。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用材料為30WGP1600無(wú)取向電工鋼，厚度0.3mm。疲勞試樣的加工圖紙如圖1，軸向方向與軋制方向平行。試樣分別采用線切割和激光切割(功率1600W,切割速度8000mm/min,氣壓500kPa,氣體類型N2,激光模式：CW連續(xù)光纖)的加工方式，切后試樣兩側(cè)面和轉(zhuǎn)角處用180#～1800#的砂紙拋光，以減少表面缺陷和加工因素對(duì)疲勞壽命的影響，試樣的上下表面帶有涂層，用酒精清洗干凈。

圖1　疲勞試樣加工圖

試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為含Si3.0%、含C 0.002%，其它元素有P、S、Al、N。試驗(yàn)用鋼常規(guī)性能如表1所示，其組織如圖2所示，平均晶粒尺寸為110μm～130μm。

表1　30WGP1600電工鋼的常規(guī)性能

圖2　試驗(yàn)用鋼微觀組織

疲勞試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，所用設(shè)備為5kN電磁力疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)加載比R，即最小加載應(yīng)力與最大加載應(yīng)力的比值為0.1，加載頻率為50Hz，加載模式為應(yīng)力控制，最大加載應(yīng)力分別為400MPa、420MPa、460MPa，采用正弦波形。試驗(yàn)期間保證試樣中心線和夾具中心線盡量一致，試樣在固定和測(cè)試期間不出現(xiàn)彎曲和皺折現(xiàn)象。

在FEI Quanta400型掃描電鏡(SEM)下觀察試樣加工邊緣形貌，用XRD便攜式X射線衍射儀測(cè)試殘余應(yīng)力，用FV-700維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度值。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為在同樣加載條件下，不同加工方式的平均疲勞壽命對(duì)比圖。由圖可知，激光切割試樣在不同的應(yīng)力級(jí)別下循環(huán)107周次后沒有斷裂， 線切割試樣每個(gè)應(yīng)力級(jí)別下循環(huán)幾十萬(wàn)周次后斷裂，因此，激光切割的方式大大提高了電工鋼的疲勞壽命。

圖3　不同加工方式下電工鋼的疲勞壽命

利用掃描電鏡觀察不同加工方式的邊部組織如圖4所示。由圖4可知，線切割邊部粗糙度較大，而激光切割邊部較平整，有一層熔化區(qū)。這是由于激光切割在1000多度的溫度下進(jìn)行，過(guò)程中的快速加熱會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力能使邊部產(chǎn)生熱塑性變形，經(jīng)室溫冷卻后形成薄的硬化層，這些因素都導(dǎo)致材料的疲勞壽命提高。

圖4　不同加工方式的邊部組織

圖5給出了不同加工方式加工后試樣的硬度分布圖。由圖5可知，線切割和激光切割后的試樣硬度分布基本一致，無(wú)明顯波動(dòng)，兩種加工方式對(duì)試樣硬度的影響不大。表2給出了兩種加工方式下電工鋼試樣邊部的縱向殘余應(yīng)力值。從結(jié)果中可知，與線切割相比，激光切割的殘余壓應(yīng)力較大，殘余拉應(yīng)力較小。因此，激光切割方式提高了電工鋼的疲勞壽命。一方面，由于當(dāng)試樣表面引入殘余壓應(yīng)力時(shí)，與外加平均應(yīng)力疊加，使實(shí)際平均應(yīng)力降低，材料的疲勞壽命提高，殘余壓應(yīng)力越大，疲勞壽命提高的幅度越大；當(dāng)試樣表面引入殘余拉應(yīng)力時(shí)，試樣所承受的真實(shí)平均應(yīng)力增加，材料的疲勞壽命降低，殘余拉應(yīng)力越小，疲勞壽命降低的幅度越小。另一方面，線切割試樣的上下表面應(yīng)力比的絕對(duì)值為3.81，激光切割試樣上下表面應(yīng)力比的絕對(duì)值為1.2，約是線切割試樣上下表面應(yīng)力比的1/3， 應(yīng)力分布較均勻，從而改善了材料的疲勞壽命。

圖5　不同加工方式試樣的硬度分布

試樣加工邊緣加工方式線切割激光切割上表面-27-54下表面10345

3結(jié)論

(1)線切割和激光切割是實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)常用的兩種加工方式。與線切割相比，激光切割大幅提高了電工鋼的疲勞壽命。

(2)線切割試樣的邊部較粗糙，且引入殘余拉應(yīng)力；激光切割試樣的邊部產(chǎn)生薄的硬化層，邊部較平整，對(duì)試樣表面引入殘余壓應(yīng)力。但兩種加工方式對(duì)試樣的硬度影響較小。

參考文獻(xiàn)

[1]陳遠(yuǎn)揚(yáng)，韓則胤，陳陽(yáng)生.高速內(nèi)嵌式永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度分析[J].微特電機(jī)，2012，40(5):5-9.

[2]Jae-Woo Jung, Byeong-Hwa Lee, et al. Mechanical Stress Reduction of Rotor Core of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(2):911-914.

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(責(zé)任編輯：李文英)

Influence of the Cutting Process on the Fatigue

Properties of Non-oriented Electrical Steels

DU LiyingXUE HuanLI RongfengLIU DongYU LiPENG Zhiying

(Research & Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:The influence of laser cutting and using Wire Electric Discharge Machining on fatigue life of 30WGP1600 non-oriented electrical steels was studied by means of SEM and X-ray diffractometer, and the difference of fatigue life caused by difderent cutting processes has also been discussed. The result showed the fatigue life of 30WGP1600 electrical steels with laser cutting greatly enhanced due to cut edge hardened layer and a rather large surface residual compression stress and smaller surface stress ratio caused by laser cutting.

Key words:cutting process; electrical steel; fatigue properties; laser cutting; wire cutting; fatigue life

作者簡(jiǎn)介：杜麗影(1982~)，女，在讀博士生，工程師.E-mail： duliying821012@163.com

收稿日期：2015-09-22修回日期：2015-11-17

中圖分類號(hào)：TM275

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3524(2015)04-0029-03