激光切割在鐵心試制中的應用探討

忻雪青，李偉冬

(上海日立電器有限公司，上海201206)

0 引 言

隨著業(yè)界對高效節(jié)能產品倡導力度的不斷加大，公司對直流變頻產品的開發(fā)力度也不斷加大。在直流變頻產品的開發(fā)過程中，電機鐵心的形狀和尺寸需要經(jīng)常變更，而且電機試制的時間要求往往較緊。目前電機鐵心試制主要采用開簡易模具和線切割的方式對應，但是，這兩種加工方式由于受到自身的局限，往往不能很好地滿足電機開發(fā)鐵心試制的要求。

為了更好地滿足電機開發(fā)鐵心試制的需要，我們對激光切割在鐵心試制中的應用進行了探討。

1 目前鐵心試制方法存在的問題

1.1 模具沖壓存在的問題

模具沖壓是目前業(yè)界普遍采用的鐵心制作方法，具有加工效率高和加工精度高的優(yōu)點。但是，由于模具制造周期長和制造成本高，因此比較適合于鐵心的大批量生產，而用于鐵心試制具有試制周期長、試制成本高和變更自由度小的缺點。

1.2 線切割存在的問題

線切割是金屬加工領域普遍采用的金屬切割方法，應用于鐵心試制相對于模具沖壓，具有試制周期短、試制成本低和變更自由度大的優(yōu)點，同時也具有加工效率低和加工精度低的缺點。而且由于需要穿絲，因此對于需要頻繁穿絲的轉子鐵心和類似1 mm寬的槽形等復雜精細的形狀，加工效率較低，往往無能為力。

2 激光切割的介紹

2.1 激光技術的介紹

激光技術與核能、半導體及電腦并稱20世紀四項重大發(fā)明。激光相對于普通光有高單色性(單一波長)、高相干性、高方向性和高光強4個優(yōu)點。激光束作為一種特殊的加工用能源(熱源)，在加工點經(jīng)聚焦后可得到極小的光斑，具有極高能量密度的激光光束，可以瞬間使被加工材料熔化和氣化，以此完成如打孔、切割、焊接、熱處理等工藝。由于是局部高能量密度快速加工，對非激光照射部位沒有或影響極小，因此熱影響區(qū)和熱變形小，加工質量高。由于激光束易于傳輸、導向、聚焦和控制，因此與現(xiàn)代數(shù)控機床配合，容易實現(xiàn)自動化，加工效率和可靠性高。由于激光加工是一個熱作用過程，難易程度由材料熱物理性能決定而與機械性能無直接聯(lián)系，因此可以加工高硬度、高脆性和高熔點等難加工材料。同時，激光加工是一種非接觸式的加工方式，不產生機械擠壓或機械應力，是一種無沖擊加工過程，不存在刀具磨損或斷裂，沒有材料受力變形等問題。

從國內外的實際應用領域來看，激光加工主要用于切割、焊接、表面處理、打標和打孔等領域。從應用比例來看，二維和三維激光切割占激光應用的65%，激光焊接占激光應用的20%左右，激光打孔、打標占激光應用的10%以下。而激光表面處理，包括激光相變硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等，僅占激光應用的5%左右。

2.2 激光切割技術的介紹

激光切割是一種應用最為廣泛的激光加工技術，它是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件，材料吸收光能，溫度急劇升高至熔化或氣化溫度，同時產生黑洞效應，使材料對光的吸收率提高，加速溫升和熔化或氣化過程，再用噴射氣體吹化，以此分割材料。

由于激光切割可以進行幾乎任何復雜形狀的加工，工件可以進行任意形式的緊密排料或套裁，提高原材料的利用率，而且可以對多種類型和厚度的材料進行加工，可以切割特硬、特脆、特軟和高熔點的難加工材料，切縫寬度窄，切割面光潔、熱影響層淺、表面應力小、熱變形小，可以直接用于組裝而無需進行打磨等冗復的后道工序，因此在金屬加工領域得到了廣泛應用。

激光切割精度高、柔性大，在電腦加工程序控制下可直接實現(xiàn)二維和三維上任意形狀的柔性加工，特別適用于新產品研發(fā)階段的多品種、小批量、變更自由度大的加工，可省去高額的模具設計、制造費，極大地縮短試制周期，在小批量生產中有明顯優(yōu)勢，比較適合鐵心試制。

3 激光切割鐵心單片的精度探討

我們選取A公司、B公司和C公司的激光切割設備進行厚度0.35 mm鐵心單片的激光切割精度探討。主要包括尺寸精度和切割面毛刺情況，切割面毛刺情況主要通過切割面投影進行比較，尺寸精度主要通過測量如圖1所示的定子鐵心單片的相關尺寸、內徑圓度、外徑圓度和內外徑同心度進行比較。

圖1 定子鐵心單片的測量尺寸

3.1 A公司的探討情況

A公司經(jīng)過一次試樣加工，尺寸精度不能滿足要求，切割面的毛刺也較多。A公司的切割面投影圖片如圖2所示。

圖2 A公司的切割面投影

由圖2可看出，切割面上毛刺較多，投影測量較大，約0.1 mm。

3.2 B公司的探討情況

B公司經(jīng)過四次試樣加工，尺寸精度不能滿足要求，切割面的毛刺相對于A公司略少，最后因能向我國出口的機型不能滿足我們的精度要求而選擇退出。B公司探討的最佳結果如表1和圖3所示。

表1 B公司的精度測量結果

圖3 B公司的切割面投影

3.3 C公司的探討情況

C公司經(jīng)過四次試樣加工，尺寸精度基本能滿足要求，切割面的毛刺較少。C公司探討的最佳結果如表2和圖4所示。

表2 C公司的精度測量結果

圖4 C公司的切割面投影

以上可見，C公司基本能滿足鐵心單片的精度要求。

4 激光切割鐵心單片的加工成本

下面，我們對B公司和C公司激光切割厚度0.35 mm鐵心單片的加工成本進行探討。

4.1 B公司的加工成本

根據(jù)B公司提交的切割鐵心單片的加工報告，加工時間是225 s，需要使用壓力為4 MPa、純度為99%的氧氣作為輔助氣體，氧氣的消耗量為40 L/min，封閉量為25 L的四元激光氣24 h需要更換一次，激光氣的消耗量為0.018 L/min，其加工成本計算如表3所示。

表3 B公司的加工成本

4.2 C公司的加工成本

根據(jù)C公司提交的切割鐵心單片的加工報告，加工時間是222 s，需要使用壓力為0.5 MPa的空氣作為輔助氣體，空氣的消耗量為150 L/min，激光氣約2萬小時需要更換一次，其加工成本計算如表4所示。

表4 C公司的加工成本

以上可見，C公司具有加工成本優(yōu)勢。

5 激光切割鐵心單片疊加后的精度探討

我們對C公司的100片激光切割厚度0.35 mm樣品疊加焊接后的精度和模具加工100片厚度0.35 mm沖壓品疊加焊接后的精度進行了比較，結果如表5所示。

表5 激光切割和模具沖壓疊加焊接品精度比較

以上可見，C公司激光切割鐵心單片疊加后的精度基本能達到模具沖壓鐵心單片疊加后的精度。

6 激光切割設備的投資效益分析

我們以加工一個35 mm疊高的定子鐵心為例，通過C公司激光切割和線切割的比較，對激光切割設備的投資效益進行分析。投資效益分析如表6所示。

表6 C公司激光切割設備的投資效益

以上可見，C公司激光切割設備雖然設備成本是線切割的約4倍，但加工時間和加工成本都只有線切割的約1/4。

7 結 語

通過激光切割在鐵心試制中的應用探討，C公司激光切割設備無論在切割鐵心單片的精度方面，還是在切割鐵心單片后的疊加精度方面，都能基本滿足精度要求。雖然設備投資成本是線切割的約四倍，但加工時間和加工成本都只有線切割的約四分之一，且和線切割一樣具有變更自由度大的特點，能夠更好地滿足電機開發(fā)鐵心試制的需要。

［1］ 朱鵬超，劉庚武.矽鋼片的激光切割工藝研究［J］.機械設計與制造，2007(3):121 －123.

［2］ 冷箭利.現(xiàn)代激光加工技術在金屬加工領域的應用［J］.電器工業(yè)，2007(7):54－55.

［3］ 萬周政.激光加工技術在機械加工業(yè)中的應用［J］.科技資訊，2008(2):8－10.