800 MPa高強(qiáng)度磁軛沖片激光切割工藝

劉福仁

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

大型水輪發(fā)電機(jī)磁軛的作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和固定磁極，同時(shí)也是磁路的一部分，它的重量約占電機(jī)總重的20%～30%，磁軛在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受扭矩和磁極與磁軛本身離心力的作用[1]。隨著水電技術(shù)的發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)容量和轉(zhuǎn)速都在提高，磁軛所承受的離心力也隨之越來(lái)越大，甚至達(dá)到數(shù)萬(wàn)噸，而這樣巨大的離心力全部需要由3 mm厚鋼板疊成的磁軛來(lái)承受，這就對(duì)磁軛材料的屈服強(qiáng)度和剛性提出了更高的要求。從以往的制造經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鋼板強(qiáng)度越高，內(nèi)應(yīng)力越大[2]，在加工過(guò)程中越容易因內(nèi)應(yīng)力釋放而變形。巴基斯坦SK水電站水輪發(fā)電機(jī)所用的800 MPa高強(qiáng)度磁軛鋼板，就是我公司有史以來(lái)屈服強(qiáng)度最大的磁軛沖片，能否保質(zhì)保量按時(shí)實(shí)現(xiàn)該材料的批量化穩(wěn)定生產(chǎn)意義重大。

1 工藝分析及策劃

磁軛沖片通常有沖制和激光切割兩種加工方式，需對(duì)加工工藝進(jìn)行分析策劃。沖片材料為HD800，厚度為3 mm，一般平刃口模具沖裁時(shí)，其沖裁力P0可按下式計(jì)算[3]：

P0=Fτb=LtτbkN

(1)

式中：P0為沖裁力，kN；F為剪切斷面面積，mm2；τb為材料抗剪強(qiáng)度，MPa；L為沖裁件周長(zhǎng)，mm；t為材料厚度，mm。

考慮到模具刃口的磨損、間隙的波動(dòng)、材料力學(xué)性能的變化以及材料厚度偏差等因素，實(shí)際所需沖裁力還需增加30%。所以選擇沖床時(shí)，實(shí)際沖裁力P應(yīng)為：

P=1．3P0=1．3Fτb=1．3LtτbkN

最終計(jì)算得：P≈58 500 kN

該沖裁力遠(yuǎn)超我公司現(xiàn)有沖壓設(shè)備能力。經(jīng)過(guò)分析，按照傳統(tǒng)采用斜刃口、階梯沖制和波浪刃口三種方法均難以滿足生產(chǎn)要求。該鋼板的屈服強(qiáng)度高達(dá)800 MPa，如果采用沖制方法，對(duì)模具的材料也是一種考驗(yàn)。綜合考慮，為了圓滿完成該項(xiàng)目磁軛沖片的生產(chǎn)任務(wù)，只能采用激光切割的加工方式。

2 試驗(yàn)及制造過(guò)程

2．1 工藝參數(shù)選擇

由于該材料是我公司第一次試用， 沒(méi)有可供參

考的工藝參數(shù)，并且按照以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，強(qiáng)度越高的材料內(nèi)應(yīng)力越大，激光切割屬于熱熔化加工，在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生由于內(nèi)應(yīng)力釋放而造成的跑尺變形，導(dǎo)致不合格品率上升，所以需要進(jìn)行工藝試驗(yàn)，摸索和固化功率、切割速度、焦點(diǎn)、輔助氣體壓力、切割路徑、工藝補(bǔ)償?shù)裙に噮?shù)。

為了節(jié)約材料，避免浪費(fèi)過(guò)多的鋼板，設(shè)計(jì)切割試驗(yàn)樣塊(見(jiàn)圖1)進(jìn)行試驗(yàn)，按照表1的參數(shù)進(jìn)行試切割，觀察樣塊的切割質(zhì)量，以確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

圖1 切割試驗(yàn)樣塊

表1 工藝參數(shù)試驗(yàn)表

由于該磁軛沖片(見(jiàn)圖2)長(zhǎng)寬比很大，最大弦長(zhǎng)為3 000 mm，而料寬僅585 mm，且單片弧度達(dá)到90°，整圓僅由4張沖片組成，所以單張沖片極易變形。所以在確定了工藝參數(shù)后，為了保證生產(chǎn)出合格的首件，需要不停地針對(duì)工件的檢測(cè)結(jié)果來(lái)調(diào)試修改激光切割程序，以起到對(duì)材料變形的補(bǔ)償。

圖2 磁軛沖片及激光切割加工模擬圖

為了減小激光切割的熱變形量，在切割產(chǎn)品之前，先在工件的外輪廓處切割三條去應(yīng)力線，使鋼板的殘余應(yīng)力在此處進(jìn)行充分釋放，同時(shí)通過(guò)模擬仿真，優(yōu)化走刀路徑，以降低累計(jì)誤差。這樣，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量又提升了加工效率。

2．2 質(zhì)量檢測(cè)

產(chǎn)品首件采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)。由于磁軛是由數(shù)萬(wàn)片磁軛沖片疊裝而成，若每一片在孔及邊緣處都存在錯(cuò)牙，數(shù)千片累計(jì)起來(lái)將是很大的誤差，因此激光切割的每一片都要經(jīng)過(guò)檢查。

經(jīng)過(guò)論證，對(duì)比檢測(cè)法適合于大批量產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，檢查樣板采用通用化設(shè)計(jì)，兩種片共用一套單片檢查胎板(見(jiàn)圖3)，節(jié)省工具費(fèi)用。將檢查合格后的三片沖片始終放在樣板上，以后每生產(chǎn)一件必須放在樣板上進(jìn)行檢查，保證單片檢查圓銷通過(guò)全部螺孔，用游標(biāo)卡尺或量塊、塞尺測(cè)量邊緣“錯(cuò)牙”小于0.10 mm視為合格。

圖3 磁軛沖片激光切割檢查胎板

2．3 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制

在產(chǎn)品制造過(guò)程中，為保證獲得穩(wěn)定的激光切割質(zhì)量，每四個(gè)小時(shí)更換噴嘴和防護(hù)鏡片。更換下來(lái)的噴嘴和防護(hù)鏡進(jìn)行檢查，手工清理噴嘴，避免切割金屬熔渣返濺影響氣流，嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量檢查要求，每一片都進(jìn)行錯(cuò)極檢查，保證產(chǎn)品一致性。

3 結(jié)論

通過(guò)采取以上工藝方法和措施，探索和固化工藝參數(shù)，克服了高強(qiáng)度磁軛鋼板熱熔化加工易變形跑尺的困難；在發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了800 MPa高強(qiáng)度磁軛鋼板的激光切割批量化穩(wěn)定生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率和成品率。產(chǎn)品圓度、垂直度、偏心值、波浪度均滿足疊裝質(zhì)量要求。圓滿完成工地疊片工作的同時(shí)，為日后900 MPa、1 000 MPa高強(qiáng)度磁軛鋼板的加工工藝開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。