矽钢片的激光切割工艺研究

第７期　２００７年７月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　—．１２１－　

文章编号：１００１—３９９７（２００７）０７—０１２１－０３　矽钢片的激光切割工艺研究　

朱鹏超　刘庚武　（１湖南铁道职业技术学院机电工程系，株洲４１２００１）　（２湖南铁道职业技术学院，株洲４１２００１）　Ｌａｓｅｒ　ｃｕｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｔｅｅＩ　ｐｌａｔｅ　ＺＨＵ　Ｐｅｎｇ－ｃｈａｏ　，ＬＩＵ　Ｇｅｎｇ－ｗｕ　（　Ｅｌｅｅｔｒｉｃａｌ　Ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｒａｉｌｕａｙ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｕｅｇｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００１，Ｃｈｉｎａ）　（　Ｈｕｎａｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００１，Ｃｈｉｎａ）　

【摘要】电机及变压器上的矽钢片一般都是通过模具冲裁而获得。在激光切割机上，只要将程　序编好，适当调整好各工艺参数，就能够切割出理想的各种形状复杂的矽钢片。本文就矽钢片的激　光切割工艺及产品的质量和切割精度作了一番探讨。　关键词：激光切割；挂渣；切割；质量；精度　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅｓ　ｏｆｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗｅｒｅ　ｇｏｔｔｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｉｅｓ．Ｂｕｔ　ｙｏｕ　ｃａｒｔ　ｇｅｔ　ｔｈｅｍ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｙ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｓｈａｐｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｃｕｔ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｕｓｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｒｉｅｔｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｃｕｔｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ　ｃｕｔ；Ｈａｎｇ　ｄｒｅｇｓ；Ｃｕｔ；Ｑｕａｌｉｔｙ；Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　

中图分类号：ＴＨ７４文献标识码：Ａ　１问题的提出　直以来，硅钢片的下料工作是在机械压力机上利用冲压　模具来进行的。硅钢片冷冲模具主要由凸凹模组成，安装在冲压　

★来稿日期：２００６－１０－２８　’｝　

机上，将硅钢片冲压成电机或变压器定子和转子铁芯片。　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，同时刃口部分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。硅钢片冲模的正常失　效主要是刃口的磨损。任何一个构件失效原因都是多方面的，如　

形文件中提取工艺附图；　（２）在“１００％所见即所得”的界面中围绕零件的热处理要　求，给每个零件编制出标准的热处理工艺规程；　（３）实现热处理工艺规程的信息存储和再利用；　（４）对工艺规程进行操作前，支持预浏览功能；　（５）支持工艺卡片的打印输出。　３系统的工作流程　

本系统采用模块化设计，其工作流程如图４所示。　（１）热处理零件的基本信息包括：零件件号、零件名称、产　品型别、工艺版次、工艺页数、工艺页次、委托单位和工序号等。　（２）对于调质钢、弹簧钢、马氏体不锈钢和滚动轴承钢，淬　火要求包括：热处理硬度、零件的最大厚度或条件厚度、零件剩　余加工余量、淬火工装、装炉量、检查硬度的硬度计、检查硬度的　比例以及其它检验项目。　（３）渗碳热处理要求包括：渗碳前的验收项目、渗碳层深　度、渗碳后的表面硬度、渗碳装炉量、检查硬度的硬度计、检查硬　度的比例以及其它检验项目等。　

（４）渗氮热处理要求包括：渗氮前的验收项目、渗氮层深　度、表面及中心硬度、渗氮检验类别、检查硬度的硬度计、检查硬　度的比例以及其它检验项目等。　４结语　

介绍了面向航空液压附件的热处理ＣＡＰＰ系统，用户可利　用汉化界面，便捷地完成从工艺设计到工艺管理等一系列功能。　采用该系统，可大大提高热处理工艺人员的工作效率，缩短生产　准备时间，保证了工艺设计的规范性和一致性，有利于推行热处　理工艺标准化，从而提高产品的质量和企业的经济效益。　参考文献　１阎锦，王振清．航空材料热处理计算机辅助决策系统的开发［Ｊ】＿宇航材　料工艺，１９９６（４）：４０～４６．　２李冶钧，陈国定，赵武．计算机辅助工艺设计【Ｍ】．成都：成都科技大学出　社。１９９６．　３热处理手册编委会．热处理手册　．北京：机械工业出版社，２００１．　４樊东黎，徐跃明等．热处理工程师手册【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２０ｏ４．　５谢海波，刘相华．ＣＡＰＰ系统关键技术探讨叨．机械设计与制造，２００４（５）：　４２～４４．　］　

维普资讯 http://www.cqvip.com １２２一　朱鹏超等：矽钢片的激光切割工艺研究　第７期　结构设计不合理，材料选用不当，加工工艺不正确，装配精度达　不到设计要求，使用保养不善和服役条不良等。其中材料本身又　与其各项抗力指标、组织、冶金品质和热处理等因素有关。因此　往往一套模具冲制件数小于其理论值。以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　１８０，７９７元。某转子片冲压模具硬度为ＨＲＣ６０—６２，安装在６０ｔ　的冲压机床上。在正常情况下，该模具可以冲制２０万件以上。然　而。该模具上机后使用不到９，０００次便产生凹模槽孔边崩塌，下　机后将模具刃磨（正常情况下５－６万次才刃磨），再次上机，崩块　现象继续产生，并且在模具外缘出现裂纹，在继续冲压过程中裂　纹迅速扩展，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４００—８００元／次，其　产品制造成本是比较高的。特别是在新产品试制过程中，模具制　造导致花费高，生产周期长，势必使新产品开发成本成倍增加。　２矽钢片的生产及要求　

硅钢片是电机及电器上的关键部件，其性能的好坏不仅直　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。因此，对硅钢片的性能大致有如下要求：具有良好的　板形和表面涂层，尺寸精度高，同板厚差极小，而且具有良好的　电磁性能，符合用途要求的晶粒取向结构。　硅钢片的冲裁工艺除应具备一般金属剪切的工艺及产品　特点外，还应满足下列几种特殊要求：　２．１冲裁毛刺高度≤０．０５ｍｍ　机械零件上的毛刺常常被人们所忽视，但是发电机、电动　机和变压器所用的硅钢片上的毛刺，对其电磁特性有很明显的　影响。发电机、电动机及变压器所用的硅钢片，都是采用模具冲　裁成型的。常模具制造间隙过大，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。发电机、电动机的转子和定子、变压器的芯子由　大量的冲裁成型的硅钢片叠装而成。硅钢片上的毛刺使叠装系　数减少：若想装同样片数，电机体积必然增大。　毛刺对电机输出功率亦产生影响。实践表明，用去毛刺的　硅钢片比用不去毛刺的硅钢片叠装的发电机，其输出功率可以　提高０．１％　Ｏ．２％。就全国而言，仅此一项就可以使国家增加上　亿元的收益。　毛刺还对发电机寿命产生影响。硅钢片毛刺的存在，使叠　片之间产生较大的间隙，从而易于产生涡流，增加磁损耗，温升　和噪音增大，产生短路，从而使电机发生故障。用去毛刺和用不　去毛刺硅钢片叠装的电机相比，其受命平均可提高５％以上。　加工好的硅钢片一般可以通过自动或手动叠装，结合处要　尽量减少缝隙。这就要求设备在达到最大生产能力时，能保持很　高的精度（包括备件精度等），以保证剪切后的产品基本无毛刺　（硅钢片纵剪后的毛刺高度≤±０．０５ｍｍ）。否则，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。　我国有关标准明确地将硅钢片的毛刺高度规定为≤　０．０５ｍｍ。可实际上，有不少电机厂由于没有采取有效的去毛刺　手段，毛刺高达０．０７　０．１ｍｍ，仍然装机使用，结果严重影响其质　

量。同时，去毛刺过程中，硅钢片表面的绝缘漆膜不得有明显划　伤。因此，寻找一种行之有效的去毛刺工艺意义重大。　２．２　Ｊ直力　硅钢片经过剪裁、冲压、叠装，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。为了避免或将此减小到　最低程度，剪切加工后的冷轧取向硅钢片，常采取在８００％左右　温度下进行冲氮退火处理工艺以消除加工时产生的应力，确保　原有性能。虽然经试验表明，经退火处理后的冷轧取向硅钢片的　比铁损下降约３０％，但是由于此工艺导致成本增加，许多生产　厂不采取这道工艺。　２．３钢片镰刀弯　上述对硅钢片的特殊性能要求，决定了对硅钢片必须有较　高标准。此标准甚至超过了美国材料试验学会（ＡＳＴＭ）对一般剪　切后金属的侧弯标准（￣＜６ｍｍ／３ｍ长），这就对硅钢片剪切工艺布　置提出了较高要求。　２．４荷叶边　剪切后的硅钢片无明显波浪（俗称荷叶边）。即使有波浪，其　波浪高与波浪长之比应不大于２．５％。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。　２．５绝缘　硅钢片不允许在剪切范围和带材体的表面上出现绝缘损　伤，片料边缘应无挤伤，否则影响铁心质量。　３激光技术的应用　

激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四　项重大发明之一。激光束作为一种特殊的加工用能源（热源），经　传输、聚焦后在加工点获得极高的功率密度，可以瞬间使物质熔　化和气化，以此完成如钻孔、切割、焊接等工艺，热影响区和热变　形小，容易实现自动化，加工效率和可靠性高。激光加工是一个　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，激光加工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。通过控制激光的照射条件（此照射条件是相对于符合加　工内容施加给工件材料的供给能量）能够实现诸如去处加工等　工艺过程。　激光切割是一种应用最为广泛的激光加工技术。自从　１９６０年有了激光器后，就有人做过了激光切割的试验。一直到　１９７０年前后有了功率为（５００　１，０００Ｗ），模式为ＴＥＭｏｏ的ｃ０：　激光器后，激光切割才达到工业应用水平而得到迅速地发展。早　期的工业应用是在硬木板上切非穿透槽，嵌刀片，制造冲剪纸箱　板的模具。随着激光切割设备的质量的进步、品种的增加，同时　激光切割工艺的不断改进，切割质量不断提高其应用领域逐步　扩大到各种金属和非金属板材的切割，应用规模也迅速扩展，已　广泛应用于各行各业。激光切割精度高、柔性大，可切割各种板　材而无需模具，在小批量生产中有明显优势，预计１／３的板材加　工可采用激光切割。以日本为例，日本产业界广泛使用的激光加　工方式是激光切割，其在激光应用中所占比率高达９０％。　综上所述，激光切割硅钢片工艺的开发，对于满足硅钢片