800 MPa高强度磁轭冲片激光切割工艺

刘福仁

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

大型水轮发电机磁轭的作用是产生转动惯量和固定磁极，同时也是磁路的一部分，它的重量约占电机总重的20%～30%，磁轭在运转时承受扭矩和磁极与磁轭本身离心力的作用[1]。随着水电技术的发展，水轮发电机容量和转速都在提高，磁轭所承受的离心力也随之越来越大，甚至达到数万吨，而这样巨大的离心力全部需要由3 mm厚钢板叠成的磁轭来承受，这就对磁轭材料的屈服强度和刚性提出了更高的要求。从以往的制造经验来看，钢板强度越高，内应力越大[2]，在加工过程中越容易因内应力释放而变形。巴基斯坦SK水电站水轮发电机所用的800 MPa高强度磁轭钢板，就是我公司有史以来屈服强度最大的磁轭冲片，能否保质保量按时实现该材料的批量化稳定生产意义重大。

1 工艺分析及策划

磁轭冲片通常有冲制和激光切割两种加工方式，需对加工工艺进行分析策划。冲片材料为HD800，厚度为3 mm，一般平刃口模具冲裁时，其冲裁力P0可按下式计算[3]：

P0=Fτb=LtτbkN

(1)

式中：P0为冲裁力，kN；F为剪切断面面积，mm2；τb为材料抗剪强度，MPa；L为冲裁件周长，mm；t为材料厚度，mm。

考虑到模具刃口的磨损、间隙的波动、材料力学性能的变化以及材料厚度偏差等因素，实际所需冲裁力还需增加30%。所以选择冲床时，实际冲裁力P应为：

P=1．3P0=1．3Fτb=1．3LtτbkN

最终计算得：P≈58 500 kN

该冲裁力远超我公司现有冲压设备能力。经过分析，按照传统采用斜刃口、阶梯冲制和波浪刃口三种方法均难以满足生产要求。该钢板的屈服强度高达800 MPa，如果采用冲制方法，对模具的材料也是一种考验。综合考虑，为了圆满完成该项目磁轭冲片的生产任务，只能采用激光切割的加工方式。

2 试验及制造过程

2．1 工艺参数选择

由于该材料是我公司第一次试用， 没有可供参

考的工艺参数，并且按照以往的经验来看，强度越高的材料内应力越大，激光切割属于热熔化加工，在生产过程中容易产生由于内应力释放而造成的跑尺变形，导致不合格品率上升，所以需要进行工艺试验，摸索和固化功率、切割速度、焦点、辅助气体压力、切割路径、工艺补偿等工艺参数。

为了节约材料，避免浪费过多的钢板，设计切割试验样块(见图1)进行试验，按照表1的参数进行试切割，观察样块的切割质量，以确定最优工艺参数。

图1 切割试验样块

表1 工艺参数试验表

由于该磁轭冲片(见图2)长宽比很大，最大弦长为3 000 mm，而料宽仅585 mm，且单片弧度达到90°，整圆仅由4张冲片组成，所以单张冲片极易变形。所以在确定了工艺参数后，为了保证生产出合格的首件，需要不停地针对工件的检测结果来调试修改激光切割程序，以起到对材料变形的补偿。

图2 磁轭冲片及激光切割加工模拟图

为了减小激光切割的热变形量，在切割产品之前，先在工件的外轮廓处切割三条去应力线，使钢板的残余应力在此处进行充分释放，同时通过模拟仿真，优化走刀路径，以降低累计误差。这样，既保证了产品质量又提升了加工效率。

2．2 质量检测

产品首件采用三坐标测量仪进行检测。由于磁轭是由数万片磁轭冲片叠装而成，若每一片在孔及边缘处都存在错牙，数千片累计起来将是很大的误差，因此激光切割的每一片都要经过检查。

经过论证，对比检测法适合于大批量产品的质量检测，检查样板采用通用化设计，两种片共用一套单片检查胎板(见图3)，节省工具费用。将检查合格后的三片冲片始终放在样板上，以后每生产一件必须放在样板上进行检查，保证单片检查圆销通过全部螺孔，用游标卡尺或量块、塞尺测量边缘“错牙”小于0.10 mm视为合格。

图3 磁轭冲片激光切割检查胎板

2．3 生产过程质量控制

在产品制造过程中，为保证获得稳定的激光切割质量，每四个小时更换喷嘴和防护镜片。更换下来的喷嘴和防护镜进行检查，手工清理喷嘴，避免切割金属熔渣返溅影响气流，严格执行质量检查要求，每一片都进行错极检查，保证产品一致性。

3 结论

通过采取以上工艺方法和措施，探索和固化工艺参数，克服了高强度磁轭钢板热熔化加工易变形跑尺的困难；在发电设备制造行业内首次实现了800 MPa高强度磁轭钢板的激光切割批量化稳定生产，提高了生产效率和成品率。产品圆度、垂直度、偏心值、波浪度均满足叠装质量要求。圆满完成工地叠片工作的同时，为日后900 MPa、1 000 MPa高强度磁轭钢板的加工工艺开发积累了宝贵经验。