激光切割代替传统冲床冲制大型磁轭冲片的可行性分析

杨满林,仝红丽

(哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150040)

1 前言

水轮发电机转子磁轭冲片一般由 2～3mm厚的碳钢磁轭冲片叠装而成。在传统的加工中,磁轭冲片由冲床冲制而成。随着水轮发电机容量的不断增大,其转子结构尺寸也越来越大,磁轭冲片的面积和冲制冲片所需要的冲裁力也相应地增加。如长江三峡电站和广西龙滩电站的 700MW机组以及溪洛渡电站 770MW机组的磁轭冲片,其面积已经达到了现有设备工作台面的极限。这就要求更大的冲裁力和结构更为复杂的模具。对现有传统设备来说,冲制这样的冲片难度太大,超负荷运转使得设备运行不稳定,维护十分困难。鉴于此种情况,必须寻找另外一种合适的加工方法。

2 激光切割特点

激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

激光切割技术是当前先进的切割方式之一。CO2激光切割是用聚焦镜将 CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。通用的 CO2工业激光源是用电场或高频振荡迫使密封在容器内的混合气体处于激发状态并产生受激幅射的单色光。此种光辐射在反射镜及反射透射镜之间反覆反射,等积聚到足够能量后由输出透镜射出。它的最大优点是由于激光光斑小,能量集中,所以切割的割缝小、无挂渣、几乎没有热变形,切割面光洁度高。

激光切割关键在激光源。切割厚度大小、切割质量优劣、切割稳定性等都取决于激光源的性能。目前主要的切割设备激光源都是 CO2激光发生器,CO2激光切割技术比其他方法的明显优点是:

(1)切割质量好。切口宽度窄(一般为 0.1～0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差 0.1～0.4mm,轮廓尺寸误差 0.1～0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般 Ra为 12.5～25μm)。

(2)切割速度快、变形小。例如采用 2kW激光功率,8mm厚的碳钢切割速度为 1.6m/min;2mm厚的不锈钢切割速度为 3.5m/min,其热影响区小,变形极小。

(3)清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。

当然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割还不能超过电加工。就切割厚度而言难以达到等离子切割的水平。但是 CO2激光切割的显著优点足以取代一部分传统的切割工艺方法,成为广泛应用的先进加工方法。

3 CO2激光切割大型电机磁轭冲片的可行性分析

3.1 成本分析

在电机磁轭冲片制造中,模具是制约其制造精度和生产进度的主要因素。制造一套加工大型磁轭冲片的模具的成本是相当昂贵的。CO2激光自动切割正好克服了这一因素,不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的冲片,节省了模具的加工制造,缩短了制造周期,同时省去了去毛刺工序。还可以根据激光器功率的大小和所用磁轭材料的特性,将目前 2～3mm磁轭冲片的厚度适当增加,以减少冲片数量。这对于电机制造商来说,无论从经济上还是生产进度的安排上都是十分可贵的。激光切割机在运行中消耗的气体量很大,而且加工速度又有一定的限制。但是综合分析、比较而言,激光切割具有相当的经济成本优势。

根据目前国内水电站的状况,上世纪生产的水轮发电机组大都已进入维修、改造阶段,在维修和改造中往往只需要更换一小部分磁轭冲片。对于生产日期久远的机组来说,很难找到原来的模具,或者原来的模具已无法在现有的机床上使用。这时激光切割技术就突出地显示了优势,只需要很小的成本就能既快又省地生产出所需的磁轭冲片。

3.2 灵活性分析

因为激光切割不受模具制造的限制,使得它的加工范围异常宽广。例如,在电机的制造中有各种各样的板状零件,每种零件的数量不多而种类却很复杂,就可以在激光切割机上加工,无需每种零件都制造专用的模具。利用数控程序和相应的软件很容易实现各种复杂形状工件的加工,可以应用在各种领域,这对于一个企业的快速转产是相当有利的。

3.3 环境分析

传统冲床加工磁轭冲片,弊端之一就是噪声太大。而且冲裁力越大,噪声也随之增大,对周围环境造成很大影响。由于冲裁力大,冲床工作时的震动十分强烈,不可避免出现机床漏油现象。不仅造成环境污染,给设备维护也带来很大困难。激光切割在这方面的优势是显而易见的,清洁、无污染,彻底改善了操作者的工作环境。

3.4 安全性分析

在所有种类的机床操作中,冲床操作可能是最危险的了。出现事故的频率也是最高的。相对冲床加工磁轭冲片来说,激光切割机采用自动上料、自动堆放,采用封闭式加工方式,不需要人体进入危险区域,大大降低了事故发生率。

4 结语

CO2激光器切割技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用,在电机制造业中的应用也将越来越广泛,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足电机制造业中对质量和生产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术,以使这一技术给电机的制造业带来质的飞跃。