一种改善激光切割磁轭冲片螺杆孔断面质量的方法

由 卉

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

磁轭冲片是构成水轮发电机的重要部件，其质量直接影响到磁轭冲片叠片质量以及机组运行、性能。哈电在某大型机组首台水轮发电机磁轭冲片生产中，发现磁轭冲片个别螺杆孔有凸点存在。以往针对该问题的解决方案都是在激光切割冲片完成后，冲片运输到工地进行叠片时，采用人工去除的方式进行修整，而随着用户对产品质量要求的提高，通常合同中会明确要求不可在工地现场磁轭叠片时对磁轭镗孔，因此迫切需要在生产过程中解决这个缺陷问题。

1 缺陷产生原因分析

1.1 磁轭冲片螺杆孔凸点缺陷的产生

大型水轮发电机转子磁轭冲片一般采用厚度为3 mm，屈服强度不低于600 MPa的高强度钢板材料，冲片结构见图1。因冲片材料抗剪强度高，冲片外弦长一般在2 500 mm左右，尺寸较大，目前主要的加工方法是采用激光切割机加工，而不是使用冲模在冲压设备上冲制。在哈电承制的某大型水轮发电机组项目的首台发电机磁轭冲片生产中，发现磁轭冲片个别螺杆孔有明显凸点缺陷存在，凸点最大处高度约0.1 mm，见图2。显然这些凸点将影响冲片螺杆孔的尺寸精度，可能影响工地磁轭装配时磁轭拉紧螺杆的顺利穿入，进而影响磁轭装配质量乃至机组质量。

图1 磁轭冲片

图2 螺杆孔切入点处产生的凸点缺陷

1.2 凸点缺陷产生的原因

磁轭冲片材料为高强度钢板，激光切割磁轭冲片螺杆孔时，激光切割开始和结束是在同一点，重合处受热量相当于正常切割路径各处的二倍，于是在螺杆孔切入起始点、终点闭合处易产生过硬的黏渣，且不易被保护气吹除。该黏渣吸附在螺杆孔轮廓上，形成凸起的痕迹，造成尺寸偏差。

为了解决磁轭冲片螺杆孔切入起始点处产生的凸点缺陷问题，从产生原因出发应削弱螺杆孔切入起始点处热量集中。考虑将孔切入起始点径向向外移出一个小位移，采用在螺杆孔切入起始点处切割一个过渡小区域的工艺方法，改善切入起始点断面质量，避免凸起点造成螺杆孔尺寸偏差。

2 激光切割螺杆孔工艺改进

2.1 确定切入起始点位置

根据产品设计磁轭应力计算结果，确定磁轭冲片上所有螺杆孔切入起始点位置在螺杆孔的切向(低应力区)，见图3，以免机组运行中在磁轭螺杆孔切入起始点处产生应力集中。

图3 额定转速工况下磁轭的综合应力分布图

2.2 确定最佳螺杆孔切割工艺参数

为了得到好的切割断面质量，在螺杆孔激光切入起始点处设计了直线和圆弧两种过渡方式，进行切割试验，图4是过渡区域宽度为2 mm，深度为0.2 mm螺杆孔切入起始点处切割效果放大10倍图。可以看出图4b圆弧型过渡断面比图4a直线型过渡断面要圆滑舒缓些，但从图中看出切割断面仍有黏渣。为此，进一步优化两种方式过渡区域参数进行切割试验，过渡区域参数及切割效果见表1。

图4 螺杆孔切入点处切割效果图(放大10倍)

表1 过渡区域参数及切割效果

通过对比直线和圆弧过渡方式以及每种方式采用多种参数的切割效果，最终确定采用圆弧过渡小区域方式，效果最好的最佳工艺参数为圆弧过渡小区域宽度3 mm，深度0.2 mm，切割效果图(螺杆孔切入起始点区域放大10倍)见图5，实际螺杆孔照片见图6。

图5 圆弧宽3 mm深0.2 mm切割效果

图6 实际螺杆孔照片

2.3 切入起始点处圆弧过渡区域的绘制方法

绘制磁轭冲片螺杆孔起始点(终点)过渡圆弧时，采用效果最佳的参数，圆弧过渡小区域宽度3 mm，深度0.2 mm，见图7。根据圆弧范围采用三点画圆法将过渡圆弧画出，并且与原螺杆孔相交处用半径为2 mm的相切圆弧相连接，保证了螺杆孔造型及螺杆孔切割起始点(终点)过渡圆弧。

图7 圆弧范围参数

3 技术效果及经济效益

此工艺方法已经应用于哈电多个大型水轮发电机项目的磁轭冲片螺杆孔的激光切割加工。这些项目的磁轭冲片材料包括磁轭冲片常用材料规格，其中白鹤滩右岸水轮发电机磁轭冲片材料为屈服强度不小于750 MPa的3 mm厚高强度钢板，大藤峡水利枢纽工程左岸厂房水轮发电机磁轭冲片材料为屈服强度不小于700 MPa的4 mm厚高强度钢板。实践证明，材料厚度为3～4 mm，螺杆孔直径尺寸为φ30～φ45 mm，应用效果均良好。磁轭冲片在工地叠片时不再需要对磁轭镗孔，节省工地磁轭叠片工时、工具费用及人工成本，提高磁轭叠片质量及安装效率，提高公司产品竞争力，此工艺方法可推广应用于大型水轮发电机磁轭冲片及磁极冲片螺杆孔的激光切割加工，长期可为公司带来更大的经济效益。

4 结论

此磁轭冲片螺杆孔激光切割工艺方法，较好地解决了激光切割闭合轮廓在起始点(终点)处易形成凸起痕迹的问题，提高冲片切割断面质量及尺寸精度，可应用于含有孔的磁轭冲片、磁极冲片等零部件的激光切割加工。