激光切割硅钢片工艺试验研究.pdf

电力机车技术 technoiogy for eiectric locomotives 第25卷第4期 2002年07月20日 voi. 25 no. 4 juiy 20th，2002 收稿日期：2002-04-05 作者简介： 朱龙驹， 男，40岁， 高级工程师，1983年毕业于西南交通大学电力机车专业， 工学学士， 现为株洲电力机车厂总工程师。 激光切割硅钢片工艺试验研究 朱龙驹 1， 洪 蕾1，2 （1.株洲电力机车厂，湖南 株洲412001；2.清华大学，北京100084） 摘要：采用co2基模连续激光器， 用不同辅助切割气体对硅钢片进行了切割工艺试验， 探讨熔渣形成 的原因和消除的方法。同时对切割效率作了评判。 关键词：激光；切割；硅钢片；熔渣；效率 中图分类号：tg485文献标识码：a文章编号：1007-0656（2002）04-0011-03 experiment study of iaser cutting siiicon steeisheet zhu long-ju1, hong lei1,2 （1. zhuzhou eiectric locomotive works，zhuzhou 412001，china； 2. tsinghua university, beijing 100084，china） abstract：the interactive effects of aided cutting gases on co2tem00 cw iaser cutting of siiicon steei sheet are studied. the guaiitative anaiysis of the formation and eiimination of the sinter is discussed. the cutting efficiency is ex- periment studied too. key words：iaser；cutting；siiicon steei sheet；sinter；efficiency 0引言 硅钢片性能的好坏不仅直接关系到电能的损耗， 而且关系到电机和变压器等产品的性能、 体积、 重量和 各种材料的节约。硅钢片剪切工艺应满足下列几种特 殊要求： （1） 发电机、 电动机和变压器所用的硅钢片上的毛 刺， 对其电磁特性、 电机输出功率和发电机寿命产生影 响， 叠片时毛刺造成片间搭接短路引起涡流损耗增加， 同时降低了叠片填充系数，因此应保证剪切后的产品 基本无毛刺； （2） 硅钢片经过剪裁、 冲压， 将会产生内应力， 从而 使晶粒变形， 导致磁导率下降， 比铁损增加， 因此应保 证消除内应力， 确保原有性能； （3）硅钢片不允许在剪切范围和带材体的表面出 现绝缘损伤， 片料边缘应无挤伤， 否则影响铁心质量； （4） 剪切后的硅钢片应无明显波浪， 否则硅钢片发 生严重塑性变形， 磁畴结构被破坏， 损耗明显增加 1 。 硅钢片下料工作通常采用在机械压力机上利用冲 压模具进行。 硅钢片冷冲模具主要由凸凹模组成， 安装 在冲压机上，将硅钢片冲压成电机或变压器定子和转 子铁心片。 硅钢片冲模在工作时， 刃口部分承受着冲击 力、剪切力和弯曲力，同时又受到硅钢片的挤压和摩 擦。硅钢片表面的特殊涂料更加强了刃口的摩擦和磨 损。当模具制造间隙过大， 或因磨损导致间隙增加， 在 冲裁时， 硅钢片受到挤压， 产生微小的塑性变形， 残留 在冲片的边沿而形成毛刺。硅钢片冲模的正常失效主 要是刃口的磨损，而往往一套模具冲制件数小于其理 论值 2 。以电力机车某种电机的硅钢片下料为例， 完成 一台电机的硅钢片下料需要七种模具， 总共需要近 20万元。理论上， 在正常情况下， 模具可以冲制20万 件以上，但实际生产过程中不到2万次就使模具失效 而无法使用。每生产完两台电机就有三种模具需要刃 磨， 其费用为400800元/次， 使其产品制造成本提高。 特别是在新产品试制过程中， 模具制造导致花费高， 研 制周期长， 势必使新产品开发的风险增加。 ! ! 而激光切割是一个热作用过程，难易程度由材料 热物理性能决定而与机械性能无直接联系。 同时， 激光 切割是一种非接触式的加工方式，是一种无冲击的加 工过程， 不存在刀具磨损和断裂， 没有材料受力变形等 问题。 采用激光切割硅钢片技术， 不但可以简化冲片模 具， 减少生产工序， 降低生产成本， 易于实现生产过程 自动化， 而且还能满足硅钢片剪裁工艺的特殊要求， 增 加铁心有效导磁面积， 减少涡流、 漏磁损失， 改善产品 机、 电性能。 但是，为成功应用激光切割，需解决一系列的问 题： 一是相对于中碳钢来说， 硅的存在对于激光切割过 程来说是有害的，将导致切割速度的降低和在底边上 容易形成挂渣现象； 二是作为一种替代工艺， 为了应用 于实际生产， 需考虑切割效率和尺寸精度控制。 本文将 对上述问题进行讨论。 1试验设备及材料 激光切割设备采用美国trumpf tc l 4030 c02激 光切割机，激光器输出直径为10 mm的tem00的激 光束， 输出功率为1 8004 000 w（可调） 。采用飞行 光路 系 统 ， 经cnc控 制 焦 点 ， 最 大 切 割 速 度 可 达 1 414 mm / s， 位移精度为0.02 mm。使用5聚焦镜， 焦 点光斑直径为0.1 mm， 吹气喷嘴直径为2 mm。为确保 吹气的稳定性，高压气体先经一组气体过滤器及调压 阀先行降压， 进入吹气喷嘴前再经过一个由cnc程式 控制的电控调压阀， 使吹气与激光的输出达到同步。 以下试验中激光切割对象为电力机车电机定子硅 钢片， 每片厚度为0.5 mm。试验用硅钢片的化学成分 如表1所示。 表1硅钢片的化学成分（w） 元素sicmnsp 含量2.70.040.550.030.060.020.030.030.04 2试验方法、 结果与讨论 2.1切割质量试验 切割质量试验是研究辅助切割气体对熔渣形成的 影响。激光切割硅钢片工艺实施的关键在于能否有效 解决挂渣问题，以达到或超过剪切工艺中对毛刺提出 的工艺标准。为探究引起切速下降和切割质量降低的 原因， 试验主要针对熔渣形成原因进行设计。 根据硅钢 片特性， 激光切割试验采用高压供气系统， 要求气体喷 嘴的压强超过20x100 kpa， 气体流量超过70 m3/ 1（见 图1） 。值得注意的是， 经常需要更高的入口压力来达 到喷嘴的压力和需要喷嘴压强达到30x100 kpa以实 现切割头的18x100 kpa压强。 图1辅助气体压力和气体流量的关系 试验在固定功率为2 500 w的条件下，分别以02 和高纯n2作为辅助切割气体， 改变切割速度进行几组 切割试验。 试验发现， 当采用02作为辅助切割气体时， 不管如何改变切速，总是产生极为严重的挂渣和烧边 现象 （如图2所示） ； 而当采用高纯n2作为辅助切割气 体时， 随着切速降低 （从10 m / min到4 m / min） ， 切口 质量逐渐得到改善，最后得到了光滑无熔渣的高质量 切口 （如图3所示） 。 图3 n2辅助切割时的切口质量 经电子探针检测表明，熔渣主要成分为sio2和铁 硅氧化物。试验表明，在切割过程中材料中含有的si 元素易与o2作用生成的sio2和铁硅氧化物。由于其 密度比氧化铁低得多，因此这些氧化硅在熔融区形成 一个表面层，这个表面层既影响表面张力又影响氧化 物的动力学性能。熔融态的sio2及铁硅氧化物具有较 大的粘滞系数， 形成熔渣且不易被切割气体吹走。 相关 电力机车技术2002年第4期 - l2 - 的氧化物熔点及密度如表2所示 3 。 表2 硅氧化物熔点及密度 氧化物熔点/ c密度/ kgm-3 feo 1 370 5 700 fe3o4 1 565 5 240 fe2o3 1 594 5 180 sio2 1 700 2 500 fesio3 1 146 3 500 fesio4 1 503 4 340 相反， 以高纯n2作为辅助切割气体， 在切割过程 中达到了阻隔o2的作用，无法生成sio2及铁硅氧化 物， 并且高压气体极易将熔融态残渣吹走， 因此获得了 精细切口。 但是作为实际生产实践， 此方案并不是一个 良好的选择， 因为高压下气体消耗量极大， 几乎10 min 消耗完40 l气体， 而且高纯n2成本较高， 这样势必造 成生产成本的剧增。 因此， 此方案仅仅用来探寻熔渣的 形成原因， 针对熔渣的形成原因， 应采取其他的工艺手 段以防止硅氧化物的生成，或在生成硅氧化物后能尽 可能地被吹走。 完成一片硅钢片工件的激光切割下料后，对其尺 寸进行了检测， 由于cnc数控部分本身精度高， 因此 尺寸精度完全合乎要求。 由此可见， 激光切割精度易于 控制。 2.2 切割效率试验 用激光切割法代替冲压法进行孔加工。作为加工 速度的评价标准，试验采用了1 min内在1 mm厚结 构钢上加工出的孔 （直径为10 mm、 孔距为25 mm） 的 数量来衡量。要求轮廓偏差应小于 50 !m。对于标准 冲压机床， 这个数值大约为200 孔/ min。 与此相比， 对 于标准激光切割机，这个数值大约为4060 孔/ min。 通过插补和激光功率控制达到同步化，在其他条件相 同的情况下， 这个数值可达7080 孔/ min。 通过采用 “连续切割”（图4所示） 技术， 孔的加工 速度可达每分钟100110个。 运用此方法， 在整个加工 过程中， 轨迹速度一直保持恒定。因此， 快移速度和加 工速度没有区别。 所以切入是在 “飞速” 中取得的， 即在 切入运动中， 速度并未降低。 通过避免突然发生的方向 转换， 可以明显地降低机床的负载， 从而可以取得较高 的运行速度。 图4 “连续切割” 技术示意图 通过试验表明， 采取合适的加工工艺参数， 最大切 割能力可达每分钟切割400个孔，此时所采用的切割 速度为30 m / min， 最大加速度为42.2 m / s2。 3 结论 针对硅钢片剪切工艺的特殊要求，采用co2激光 器对其进行切割试验。试验研究了激光切割过程中熔 渣的形成原因和激光切割效率， 结论如下： （1）激光切割过程中的o2是产生熔渣的主要原 因。由于材料中所含si元素与o2作用生成密度较低 的sio2和铁硅氧化物， 而导致形成一不易流动的表面 层， 此为熔渣的主要成分。 （2） 采取合适的工艺手段， 激光切割效率可以与冲 压加工方法相当； （3） 激光切割过程中精度易于控制。 参考文献： 1 孙海林. 砂带去毛刺技术硅钢片去毛刺机 j. 金刚石与磨料 磨具工程，1996，92（2）. 2 朱起凡， 高为国. 硅钢片冷冲模的失效分析 j. 武汉汽车工业大学 学报，2000，（2）. 3powell j. co2 laser cuttingm. london：springer-verlag，1993. 朱龙驹 等激光切割硅钢片工艺试验研究2002年第4期 牵引动力国家重点实验室举办国际学术交流活动 2002年6月8日， 西南交通大学牵引动力国家重点实验室举办了主题为 “高速列车主动、 半主动悬挂技术及日本高 速列车的发展现状” 的学术交流活动。日本铁道综合技术研究所车辆构造技术研究部部长手塚博士和佐佐木主任研究 员及tess公司社长三品博士等7位日本专家参加了学术交流