一種改善激光切割磁軛沖片螺桿孔斷面質量的方法

由 卉

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

磁軛沖片是構成水輪發(fā)電機的重要部件，其質量直接影響到磁軛沖片疊片質量以及機組運行、性能。哈電在某大型機組首臺水輪發(fā)電機磁軛沖片生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)磁軛沖片個別螺桿孔有凸點存在。以往針對該問題的解決方案都是在激光切割沖片完成后，沖片運輸?shù)焦さ剡M行疊片時，采用人工去除的方式進行修整，而隨著用戶對產(chǎn)品質量要求的提高，通常合同中會明確要求不可在工地現(xiàn)場磁軛疊片時對磁軛鏜孔，因此迫切需要在生產(chǎn)過程中解決這個缺陷問題。

1 缺陷產(chǎn)生原因分析

1.1 磁軛沖片螺桿孔凸點缺陷的產(chǎn)生

大型水輪發(fā)電機轉子磁軛沖片一般采用厚度為3 mm，屈服強度不低于600 MPa的高強度鋼板材料，沖片結構見圖1。因沖片材料抗剪強度高，沖片外弦長一般在2 500 mm左右，尺寸較大，目前主要的加工方法是采用激光切割機加工，而不是使用沖模在沖壓設備上沖制。在哈電承制的某大型水輪發(fā)電機組項目的首臺發(fā)電機磁軛沖片生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)磁軛沖片個別螺桿孔有明顯凸點缺陷存在，凸點最大處高度約0.1 mm，見圖2。顯然這些凸點將影響沖片螺桿孔的尺寸精度，可能影響工地磁軛裝配時磁軛拉緊螺桿的順利穿入，進而影響磁軛裝配質量乃至機組質量。

圖1 磁軛沖片

圖2 螺桿孔切入點處產(chǎn)生的凸點缺陷

1.2 凸點缺陷產(chǎn)生的原因

磁軛沖片材料為高強度鋼板，激光切割磁軛沖片螺桿孔時，激光切割開始和結束是在同一點，重合處受熱量相當于正常切割路徑各處的二倍，于是在螺桿孔切入起始點、終點閉合處易產(chǎn)生過硬的黏渣，且不易被保護氣吹除。該黏渣吸附在螺桿孔輪廓上，形成凸起的痕跡，造成尺寸偏差。

為了解決磁軛沖片螺桿孔切入起始點處產(chǎn)生的凸點缺陷問題，從產(chǎn)生原因出發(fā)應削弱螺桿孔切入起始點處熱量集中?？紤]將孔切入起始點徑向向外移出一個小位移，采用在螺桿孔切入起始點處切割一個過渡小區(qū)域的工藝方法，改善切入起始點斷面質量，避免凸起點造成螺桿孔尺寸偏差。

2 激光切割螺桿孔工藝改進

2.1 確定切入起始點位置

根據(jù)產(chǎn)品設計磁軛應力計算結果，確定磁軛沖片上所有螺桿孔切入起始點位置在螺桿孔的切向(低應力區(qū))，見圖3，以免機組運行中在磁軛螺桿孔切入起始點處產(chǎn)生應力集中。

圖3 額定轉速工況下磁軛的綜合應力分布圖

2.2 確定最佳螺桿孔切割工藝參數(shù)

為了得到好的切割斷面質量，在螺桿孔激光切入起始點處設計了直線和圓弧兩種過渡方式，進行切割試驗，圖4是過渡區(qū)域寬度為2 mm，深度為0.2 mm螺桿孔切入起始點處切割效果放大10倍圖。可以看出圖4b圓弧型過渡斷面比圖4a直線型過渡斷面要圓滑舒緩些，但從圖中看出切割斷面仍有黏渣。為此，進一步優(yōu)化兩種方式過渡區(qū)域參數(shù)進行切割試驗，過渡區(qū)域參數(shù)及切割效果見表1。

圖4 螺桿孔切入點處切割效果圖(放大10倍)

表1 過渡區(qū)域參數(shù)及切割效果

通過對比直線和圓弧過渡方式以及每種方式采用多種參數(shù)的切割效果，最終確定采用圓弧過渡小區(qū)域方式，效果最好的最佳工藝參數(shù)為圓弧過渡小區(qū)域寬度3 mm，深度0.2 mm，切割效果圖(螺桿孔切入起始點區(qū)域放大10倍)見圖5，實際螺桿孔照片見圖6。

圖5 圓弧寬3 mm深0.2 mm切割效果

圖6 實際螺桿孔照片

2.3 切入起始點處圓弧過渡區(qū)域的繪制方法

繪制磁軛沖片螺桿孔起始點(終點)過渡圓弧時，采用效果最佳的參數(shù)，圓弧過渡小區(qū)域寬度3 mm，深度0.2 mm，見圖7。根據(jù)圓弧范圍采用三點畫圓法將過渡圓弧畫出，并且與原螺桿孔相交處用半徑為2 mm的相切圓弧相連接，保證了螺桿孔造型及螺桿孔切割起始點(終點)過渡圓弧。

圖7 圓弧范圍參數(shù)

3 技術效果及經(jīng)濟效益

此工藝方法已經(jīng)應用于哈電多個大型水輪發(fā)電機項目的磁軛沖片螺桿孔的激光切割加工。這些項目的磁軛沖片材料包括磁軛沖片常用材料規(guī)格，其中白鶴灘右岸水輪發(fā)電機磁軛沖片材料為屈服強度不小于750 MPa的3 mm厚高強度鋼板，大藤峽水利樞紐工程左岸廠房水輪發(fā)電機磁軛沖片材料為屈服強度不小于700 MPa的4 mm厚高強度鋼板。實踐證明，材料厚度為3～4 mm，螺桿孔直徑尺寸為φ30～φ45 mm，應用效果均良好。磁軛沖片在工地疊片時不再需要對磁軛鏜孔，節(jié)省工地磁軛疊片工時、工具費用及人工成本，提高磁軛疊片質量及安裝效率，提高公司產(chǎn)品競爭力，此工藝方法可推廣應用于大型水輪發(fā)電機磁軛沖片及磁極沖片螺桿孔的激光切割加工，長期可為公司帶來更大的經(jīng)濟效益。

4 結論

此磁軛沖片螺桿孔激光切割工藝方法，較好地解決了激光切割閉合輪廓在起始點(終點)處易形成凸起痕跡的問題，提高沖片切割斷面質量及尺寸精度，可應用于含有孔的磁軛沖片、磁極沖片等零部件的激光切割加工。