抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極沖片制造工藝研究

由 卉

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

隨著國(guó)家抽水蓄能機(jī)組投產(chǎn)規(guī)模不斷加大，目前哈電承制的抽水蓄能機(jī)組項(xiàng)目已遠(yuǎn)超常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目，主導(dǎo)了水電產(chǎn)品。常規(guī)水電磁極沖片材料的抗拉強(qiáng)度σb不低于450 MPa，而近年抽水蓄能項(xiàng)目磁極沖片的材料大多采用更高強(qiáng)度的鋼板，其中敦化項(xiàng)目材料牌號(hào)HD650C，σb≥700 MPa。沖片外形尺寸越大，需要的沖裁力也越大，大多接近哈電沖壓設(shè)備的額定壓力。多個(gè)抽水蓄能項(xiàng)目磁極沖片沖制生產(chǎn)中出現(xiàn)了沖模易磨損等問(wèn)題，沖模使用壽命降低，反復(fù)修磨沖模使磁極沖片生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。本文通過(guò)介紹哈電承制的某單機(jī)容量400 MW抽水蓄能機(jī)組磁極沖片制造工藝，對(duì)比分析磁極沖片沖制和激光切割兩種制造工藝的特點(diǎn)，綜合考量沖片質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制造成本等因素，給出比較合理的磁極沖片制造解決方案。

1 抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極沖片特點(diǎn)

哈電承制的某單機(jī)容量400 MW抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)共3臺(tái)，磁極沖片材料牌號(hào)HD650C，鋼板厚度2 mm，材料屈服強(qiáng)度不低于650 MPa，材料抗拉強(qiáng)度σb≥700 MPa，極限強(qiáng)度高達(dá)950 MPa，沖片尺寸形狀見圖1。主片(a)和項(xiàng)號(hào)片(b)僅極靴處尺寸形狀有差異，其余部分尺寸形狀均相同。主片(a)和項(xiàng)號(hào)片(b)數(shù)量分別為17 220片/臺(tái)和960片/臺(tái)，經(jīng)計(jì)算沖制主片(a)和項(xiàng)號(hào)片(b)沖裁力分別為1 051.981 t和1 128.971 t。

圖1 磁極沖片

2 磁極沖片制造工藝

2．1 沖制工藝及存在的問(wèn)題

哈電生產(chǎn)的包括抽水蓄能項(xiàng)目的水電產(chǎn)品磁極沖片，常規(guī)是采用沖壓工藝方法沖制的。根據(jù)磁極沖片形狀、尺寸、數(shù)量、模具尺寸及沖裁力選取沖壓設(shè)備。在選取沖壓設(shè)備時(shí)，考慮到板材的機(jī)械性能、厚度以及操作等因素的波動(dòng)可能引起的變形力增大，通常取設(shè)備的額定壓力比沖裁力大10%～20%。具體到本項(xiàng)目，設(shè)備額定壓力應(yīng)大于1 354.765 t，如果壓力機(jī)剛度等狀況良好，1 600 t閉式雙曲軸壓力機(jī)符合設(shè)備選用標(biāo)準(zhǔn)。

磁極沖片復(fù)式?jīng)_模設(shè)計(jì)采用比較成熟的換模塊技術(shù)，在沖片極靴部位尺寸形狀不同處設(shè)計(jì)換模塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主片和項(xiàng)號(hào)片用一套沖模沖制，降低模具成本。此前哈電生產(chǎn)的多個(gè)抽水蓄能項(xiàng)目磁極沖片，為提高沖模使用壽命，模塊材料選用高淬透性、高耐磨性的工具鋼Cr12MoV，并采用斜刃沖模結(jié)構(gòu)減小沖裁力，同時(shí)凸、凹模模塊高度加大至45～50 mm，以增大模塊有效刃口高度，即增加模塊修磨量。由于沖裁時(shí)凹模承受了沖裁力和側(cè)向力的作用，因此需要凹模周邊加擋塊來(lái)加固凹模模塊。

沖模間隙是影響沖模壽命最主要的因素，較大的間隙可減小凸模與凹模側(cè)面及材料間的摩擦，并減緩間隙不均勻的不利影響，從而提高模具的壽命。磁極沖片復(fù)式?jīng)_模設(shè)計(jì)時(shí)，在保證沖片質(zhì)量前提下，盡可能地加大間隙值以便提高沖模壽命。深圳抽水蓄能項(xiàng)目厚度為2 mm的高強(qiáng)度鋼板材料磁極沖片，復(fù)式?jīng)_模雙邊間隙是0.32～0.36 mm，豐寧、荒溝等抽水蓄能項(xiàng)目，則將沖模雙邊間隙增大到了0.38～0.42 mm。對(duì)于厚度為3 mm高強(qiáng)度鋼板材料，例如敦化抽水蓄能項(xiàng)目，沖模雙邊間隙取材料厚度的26%～28%，即0.78～0.84 mm。盡管采取了加大沖模間隙的措施，多個(gè)項(xiàng)目沖片在沖制過(guò)程中仍頻繁出現(xiàn)沖模刃口磨損，每次刃口磨損后修磨量較大，嚴(yán)重時(shí)沖模一次修磨量達(dá)1 mm，造成沖模壽命降低很多，生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。

分析其主要原因有兩個(gè)：首先，沖裁時(shí)，凸模除承受沖裁力引起的壓應(yīng)力之外，還要承受卸料時(shí)引起的拉應(yīng)力，凸模刃口處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。抽水蓄能項(xiàng)目磁極沖片的材料采用了更高強(qiáng)度的鋼板，屈服強(qiáng)度不低于550 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于600 MPa，其中敦化項(xiàng)目抗拉強(qiáng)度σb≥700 MPa，沖片尺寸大，沖裁力在1 000 t左右。沖裁力加大同時(shí)，更加劇了沖模刃口處應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成模具刃口頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。其次，只有壓力機(jī)的剛度足夠時(shí)，其靜態(tài)精度才能在受載荷作用條件下保持下來(lái)。當(dāng)壓力機(jī)的剛度較差時(shí)，不僅沖模間隙的均勻分布會(huì)遭受破壞，而且沖裁終了時(shí)壓力機(jī)各受力部件突然卸載，也會(huì)使凸模以很高的速度沖入凹模刃口內(nèi)較大的深度，同時(shí)模具的間隙也跟著迅速地變化。這些現(xiàn)象都能降低模具的壽命和沖片的質(zhì)量。因此沖模壽命的大幅降低，不能排除在沖制沖裁力接近設(shè)備的額定壓力的磁極沖片時(shí)，1 600 t壓力機(jī)的剛度顯得不足這個(gè)原因。

從以上分析可以看出，沖裁力加大和壓力機(jī)剛度不足，是導(dǎo)致沖模壽命大幅降低的主要原因。要保證沖片質(zhì)量和沖模使用壽命，對(duì)沖片沖裁力越大，沖壓設(shè)備的剛度要求也越高。沖壓設(shè)備的剛度足夠好時(shí)，設(shè)備才能達(dá)到其額定沖壓能力。根據(jù)哈電磁極沖片的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般的常規(guī)水電項(xiàng)目磁極沖片材料的抗拉強(qiáng)度σb≥450 MPa，沖裁力最大在800 t左右。采用1 600 t壓力機(jī)沖制時(shí)，沖模壽命可以滿足生產(chǎn)周期要求。因此當(dāng)沖壓設(shè)備剛度不足時(shí)，為提高沖模壽命，沖壓設(shè)備的選用應(yīng)盡可能提高設(shè)備的額定壓力到?jīng)_裁力的2倍。圖1所示磁極沖片，項(xiàng)號(hào)片(b)沖裁力達(dá)1 128.971 t，公司1 600 t壓力機(jī)將達(dá)不到設(shè)備選用標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，為了減小沖模刃口應(yīng)力集中，提高沖模壽命，沖模材料及其熱處理規(guī)范的選用必須同時(shí)兼顧硬度與韌性兩方面的綜合要求，顯然這將增加模具成本及制造難度。

2．2 激光切割工藝

激光切割圖1所示磁極沖片選用普瑪寶激光切割機(jī)，沖片套裁排料見圖2。經(jīng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員研究決定，加大材料厚度以提高激光切割效率，沖片的材料厚度從2 mm增加到3 mm，主片和項(xiàng)號(hào)片數(shù)量分別從17 220片/臺(tái)、960片/臺(tái)減少到11 472片/臺(tái)、648片/臺(tái)。沖片數(shù)量減少到材料厚度更改前的2/3，激光切割生產(chǎn)效率提高約1/3。磁極沖片首件三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)尺寸檢查、單片檢查樣板檢查及批量生產(chǎn)過(guò)程中樣板檢查控制沖片尺寸精度及表面質(zhì)量(單片檢查樣板可檢查磁極沖片T尾、鴿尾槽位置尺寸)。磁極沖片首件檢查合格才能批量生產(chǎn)。批量生產(chǎn)過(guò)程中，以樣板T尾量塊和鴿尾量塊定位將合格的首件放在樣板上作為第一層，共疊片4層。用螺桿孔檢查銷檢查螺桿孔尺寸，阻尼孔檢查銷檢查阻尼孔尺寸。檢查銷必須順利通過(guò)孔，邊緣“錯(cuò)牙”小于0.10 mm。樣板T尾量塊、鴿尾量塊示意圖見圖3。

圖2 磁極沖片排料圖

圖3 樣板T尾量塊、鴿尾量塊示意圖

3 兩種工藝方法的比較

綜合考量磁極沖片質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制造成本等因素，本項(xiàng)目磁極沖片的制造選擇激光切割工藝方法加工。通過(guò)本項(xiàng)目和公司近年來(lái)承制的抽水蓄能項(xiàng)目磁極沖片生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出磁極沖片沖壓工藝和激光切割工藝的不同特點(diǎn)，見表1。

表1 沖壓工藝與激光切割工藝的比較

從沖制和激光切割兩種工藝的比較可以看出，激光切割工藝比沖制工藝材料利用率略高。當(dāng)僅考慮沖片制造質(zhì)量時(shí)，在沖壓設(shè)備和激光切割機(jī)的狀況都良好，且沖模精度可以滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的情況下，選擇沖制和激光切割工藝均可。需要注意的是：沖壓設(shè)備剛度不足時(shí)，沖壓設(shè)備的選用應(yīng)盡可能提高設(shè)備的額定壓力到?jīng)_裁力的2倍，才能保證沖片質(zhì)量和沖模使用壽命達(dá)到預(yù)期，如果額定壓力不足沖裁力的2倍時(shí)，應(yīng)選擇激光切割工藝方法。

如果僅考慮工裝及沖片生產(chǎn)周期，沖模生產(chǎn)周期按4個(gè)月計(jì)算，激光切割所需檢查樣板等工裝的生產(chǎn)周期按1個(gè)月計(jì)算，采用激光切割工藝可24 h不間斷生產(chǎn)，3個(gè)月可加工大約6萬(wàn)片磁極沖片。那么當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目的磁極沖片數(shù)量小于6萬(wàn)片時(shí)，采用激光切割工藝方法生產(chǎn)效率相對(duì)高一些，更適合選擇激光切割工藝方法。隨著一個(gè)項(xiàng)目的沖片數(shù)量的增加，就越適合選擇沖壓工藝方法。

如果僅考慮制造成本，包括制造沖片和制造工裝兩部分費(fèi)用，哈電沖模制造成本較大。激光切割1片磁極沖片的費(fèi)用大約4．10元，如果沖模成本按20萬(wàn)元計(jì)算，激光切割沖片成本按4.10元/片計(jì)算，20萬(wàn)元費(fèi)用可以加工大約5萬(wàn)片磁極沖片，那么當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目的沖模成本不低于20萬(wàn)元，且磁極沖片數(shù)量不超過(guò)5萬(wàn)片時(shí)，采用激光切割工藝方法制造成本相對(duì)低一些，更適合選擇激光切割工藝方法；當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目的沖模成本低于20萬(wàn)元，且磁極沖片數(shù)量超過(guò)5萬(wàn)片時(shí)，沖制成本相對(duì)較低，則更適合選擇沖制工藝方法。

實(shí)際決策應(yīng)用中，應(yīng)綜合考量磁極沖片質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制造成本等因素，關(guān)注項(xiàng)目的磁極沖片數(shù)量對(duì)這幾個(gè)因素的影響，結(jié)合沖片生產(chǎn)廠的設(shè)備等具體實(shí)際情況，選擇相對(duì)合理的磁極沖片制造工藝方案。

4 結(jié)論

哈電生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)于抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度鋼板材料磁極沖片，沖裁力較大時(shí)，采用沖制工藝對(duì)沖模材料、沖模制造工藝及沖壓設(shè)備的剛度等要求都將提高，此時(shí)采用激光切割工藝方法為這一類磁極沖片的制造提供了可靠的保證。但激光切割沖片單件工時(shí)較長(zhǎng)，當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目磁極沖片數(shù)量超過(guò)一定值時(shí)，沖制工藝的優(yōu)勢(shì)也將顯現(xiàn)。本文磁極沖片沖制工藝和激光切割工藝特點(diǎn)的對(duì)比分析，對(duì)磁極沖片制造工藝方案的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。