抽水蓄能发电电动机磁极冲片制造工艺研究

由 卉

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

随着国家抽水蓄能机组投产规模不断加大，目前哈电承制的抽水蓄能机组项目已远超常规水轮发电机组项目，主导了水电产品。常规水电磁极冲片材料的抗拉强度σb不低于450 MPa，而近年抽水蓄能项目磁极冲片的材料大多采用更高强度的钢板，其中敦化项目材料牌号HD650C，σb≥700 MPa。冲片外形尺寸越大，需要的冲裁力也越大，大多接近哈电冲压设备的额定压力。多个抽水蓄能项目磁极冲片冲制生产中出现了冲模易磨损等问题，冲模使用寿命降低，反复修磨冲模使磁极冲片生产周期延长。本文通过介绍哈电承制的某单机容量400 MW抽水蓄能机组磁极冲片制造工艺，对比分析磁极冲片冲制和激光切割两种制造工艺的特点，综合考量冲片质量、生产效率、制造成本等因素，给出比较合理的磁极冲片制造解决方案。

1 抽水蓄能发电电动机磁极冲片特点

哈电承制的某单机容量400 MW抽水蓄能发电电动机共3台，磁极冲片材料牌号HD650C，钢板厚度2 mm，材料屈服强度不低于650 MPa，材料抗拉强度σb≥700 MPa，极限强度高达950 MPa，冲片尺寸形状见图1。主片(a)和项号片(b)仅极靴处尺寸形状有差异，其余部分尺寸形状均相同。主片(a)和项号片(b)数量分别为17 220片/台和960片/台，经计算冲制主片(a)和项号片(b)冲裁力分别为1 051.981 t和1 128.971 t。

图1 磁极冲片

2 磁极冲片制造工艺

2．1 冲制工艺及存在的问题

哈电生产的包括抽水蓄能项目的水电产品磁极冲片，常规是采用冲压工艺方法冲制的。根据磁极冲片形状、尺寸、数量、模具尺寸及冲裁力选取冲压设备。在选取冲压设备时，考虑到板材的机械性能、厚度以及操作等因素的波动可能引起的变形力增大，通常取设备的额定压力比冲裁力大10%～20%。具体到本项目，设备额定压力应大于1 354.765 t，如果压力机刚度等状况良好，1 600 t闭式双曲轴压力机符合设备选用标准。

磁极冲片复式冲模设计采用比较成熟的换模块技术，在冲片极靴部位尺寸形状不同处设计换模块结构，实现主片和项号片用一套冲模冲制，降低模具成本。此前哈电生产的多个抽水蓄能项目磁极冲片，为提高冲模使用寿命，模块材料选用高淬透性、高耐磨性的工具钢Cr12MoV，并采用斜刃冲模结构减小冲裁力，同时凸、凹模模块高度加大至45～50 mm，以增大模块有效刃口高度，即增加模块修磨量。由于冲裁时凹模承受了冲裁力和侧向力的作用，因此需要凹模周边加挡块来加固凹模模块。

冲模间隙是影响冲模寿命最主要的因素，较大的间隙可减小凸模与凹模侧面及材料间的摩擦，并减缓间隙不均匀的不利影响，从而提高模具的寿命。磁极冲片复式冲模设计时，在保证冲片质量前提下，尽可能地加大间隙值以便提高冲模寿命。深圳抽水蓄能项目厚度为2 mm的高强度钢板材料磁极冲片，复式冲模双边间隙是0.32～0.36 mm，丰宁、荒沟等抽水蓄能项目，则将冲模双边间隙增大到了0.38～0.42 mm。对于厚度为3 mm高强度钢板材料，例如敦化抽水蓄能项目，冲模双边间隙取材料厚度的26%～28%，即0.78～0.84 mm。尽管采取了加大冲模间隙的措施，多个项目冲片在冲制过程中仍频繁出现冲模刃口磨损，每次刃口磨损后修磨量较大，严重时冲模一次修磨量达1 mm，造成冲模寿命降低很多，生产周期延长。

分析其主要原因有两个：首先，冲裁时，凸模除承受冲裁力引起的压应力之外，还要承受卸料时引起的拉应力，凸模刃口处存在较大的应力集中现象。抽水蓄能项目磁极冲片的材料采用了更高强度的钢板，屈服强度不低于550 MPa，抗拉强度不低于600 MPa，其中敦化项目抗拉强度σb≥700 MPa，冲片尺寸大，冲裁力在1 000 t左右。冲裁力加大同时，更加剧了冲模刃口处应力集中现象，造成模具刃口频繁出现严重磨损。其次，只有压力机的刚度足够时，其静态精度才能在受载荷作用条件下保持下来。当压力机的刚度较差时，不仅冲模间隙的均匀分布会遭受破坏，而且冲裁终了时压力机各受力部件突然卸载，也会使凸模以很高的速度冲入凹模刃口内较大的深度，同时模具的间隙也跟着迅速地变化。这些现象都能降低模具的寿命和冲片的质量。因此冲模寿命的大幅降低，不能排除在冲制冲裁力接近设备的额定压力的磁极冲片时，1 600 t压力机的刚度显得不足这个原因。

从以上分析可以看出，冲裁力加大和压力机刚度不足，是导致冲模寿命大幅降低的主要原因。要保证冲片质量和冲模使用寿命，对冲片冲裁力越大，冲压设备的刚度要求也越高。冲压设备的刚度足够好时，设备才能达到其额定冲压能力。根据哈电磁极冲片的生产经验，一般的常规水电项目磁极冲片材料的抗拉强度σb≥450 MPa，冲裁力最大在800 t左右。采用1 600 t压力机冲制时，冲模寿命可以满足生产周期要求。因此当冲压设备刚度不足时，为提高冲模寿命，冲压设备的选用应尽可能提高设备的额定压力到冲裁力的2倍。图1所示磁极冲片，项号片(b)冲裁力达1 128.971 t，公司1 600 t压力机将达不到设备选用标准。

另一方面，为了减小冲模刃口应力集中，提高冲模寿命，冲模材料及其热处理规范的选用必须同时兼顾硬度与韧性两方面的综合要求，显然这将增加模具成本及制造难度。

2．2 激光切割工艺

激光切割图1所示磁极冲片选用普玛宝激光切割机，冲片套裁排料见图2。经与产品设计人员研究决定，加大材料厚度以提高激光切割效率，冲片的材料厚度从2 mm增加到3 mm，主片和项号片数量分别从17 220片/台、960片/台减少到11 472片/台、648片/台。冲片数量减少到材料厚度更改前的2/3，激光切割生产效率提高约1/3。磁极冲片首件三坐标测量机尺寸检查、单片检查样板检查及批量生产过程中样板检查控制冲片尺寸精度及表面质量(单片检查样板可检查磁极冲片T尾、鸽尾槽位置尺寸)。磁极冲片首件检查合格才能批量生产。批量生产过程中，以样板T尾量块和鸽尾量块定位将合格的首件放在样板上作为第一层，共叠片4层。用螺杆孔检查销检查螺杆孔尺寸，阻尼孔检查销检查阻尼孔尺寸。检查销必须顺利通过孔，边缘“错牙”小于0.10 mm。样板T尾量块、鸽尾量块示意图见图3。

图2 磁极冲片排料图

图3 样板T尾量块、鸽尾量块示意图

3 两种工艺方法的比较

综合考量磁极冲片质量、生产效率、制造成本等因素，本项目磁极冲片的制造选择激光切割工艺方法加工。通过本项目和公司近年来承制的抽水蓄能项目磁极冲片生产实践，总结出磁极冲片冲压工艺和激光切割工艺的不同特点，见表1。

表1 冲压工艺与激光切割工艺的比较

从冲制和激光切割两种工艺的比较可以看出，激光切割工艺比冲制工艺材料利用率略高。当仅考虑冲片制造质量时，在冲压设备和激光切割机的状况都良好，且冲模精度可以满足产品质量要求的情况下，选择冲制和激光切割工艺均可。需要注意的是：冲压设备刚度不足时，冲压设备的选用应尽可能提高设备的额定压力到冲裁力的2倍，才能保证冲片质量和冲模使用寿命达到预期，如果额定压力不足冲裁力的2倍时，应选择激光切割工艺方法。

如果仅考虑工装及冲片生产周期，冲模生产周期按4个月计算，激光切割所需检查样板等工装的生产周期按1个月计算，采用激光切割工艺可24 h不间断生产，3个月可加工大约6万片磁极冲片。那么当一个项目的磁极冲片数量小于6万片时，采用激光切割工艺方法生产效率相对高一些，更适合选择激光切割工艺方法。随着一个项目的冲片数量的增加，就越适合选择冲压工艺方法。

如果仅考虑制造成本，包括制造冲片和制造工装两部分费用，哈电冲模制造成本较大。激光切割1片磁极冲片的费用大约4．10元，如果冲模成本按20万元计算，激光切割冲片成本按4.10元/片计算，20万元费用可以加工大约5万片磁极冲片，那么当一个项目的冲模成本不低于20万元，且磁极冲片数量不超过5万片时，采用激光切割工艺方法制造成本相对低一些，更适合选择激光切割工艺方法；当一个项目的冲模成本低于20万元，且磁极冲片数量超过5万片时，冲制成本相对较低，则更适合选择冲制工艺方法。

实际决策应用中，应综合考量磁极冲片质量、生产效率、制造成本等因素，关注项目的磁极冲片数量对这几个因素的影响，结合冲片生产厂的设备等具体实际情况，选择相对合理的磁极冲片制造工艺方案。

4 结论

哈电生产实践验证，对于抽水蓄能发电电动机高强度钢板材料磁极冲片，冲裁力较大时，采用冲制工艺对冲模材料、冲模制造工艺及冲压设备的刚度等要求都将提高，此时采用激光切割工艺方法为这一类磁极冲片的制造提供了可靠的保证。但激光切割冲片单件工时较长，当一个项目磁极冲片数量超过一定值时，冲制工艺的优势也将显现。本文磁极冲片冲制工艺和激光切割工艺特点的对比分析，对磁极冲片制造工艺方案的选择具有一定的指导意义。