廣東省韶關(guān)市第二技師學(xué)院 (512031) 劉光萬(wàn)

水輪發(fā)電機(jī)通常由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、電刷、機(jī)座及軸承等部件構(gòu)成;發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由主軸、輪轂、輪臂、磁軛、端壓板、風(fēng)扇、磁極和制動(dòng)閘板等組成。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極，是在發(fā)電機(jī)主軸上安裝偶數(shù)個(gè)帶有線圈的凸臺(tái)，磁極數(shù)分為2、4、6、8、10、12、14……，其作用是產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)S、N。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在發(fā)電機(jī)定子上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，從而獲得電壓和電流。

因此轉(zhuǎn)子的磁極是產(chǎn)生磁場(chǎng)的主要部件，主要由磁極鐵心、勵(lì)磁線圈、阻尼繞組及鋼墊板等零部件組成，磁極固定方式通常采用螺釘、T尾結(jié)構(gòu)固定在磁軛上;磁極鐵心分實(shí)心和疊片兩種結(jié)構(gòu)。中、小容量高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，常采用實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)，整體鍛造或鑄造而成。而大容量水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，其磁極結(jié)構(gòu)則采用疊片的形式，用磁極壓板 (見表1)和磁極鉚釘疊壓而成;磁極是水輪發(fā)電機(jī)組里重要部件，其質(zhì)量要求較高，必須各極一致，才能滿足裝配要求。SF22000－12P/3600磁極沖片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SF22000－12P/3600磁極沖片

表1 磁極壓板材料

該機(jī)組的單機(jī)容量是22000 kW，屬于大容量發(fā)電機(jī)組，因此磁極沖片的外形尺寸較大、幾何尺寸較為復(fù)雜，精度要求較高。長(zhǎng)期以來(lái)，公司大型水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的磁極沖片都是分二次沖裁成形，這一傳統(tǒng)的制造工藝，需要制造2副模具;一副模具沖裁磁極的外形和5個(gè)直徑為42.31 mm的通孔。磁極沖片模裝配如圖2所示。

圖2 磁極沖片模裝配圖

圖2所示的模具采用帶導(dǎo)向裝置的倒裝式復(fù)合沖裁模進(jìn)行裝配，凸模部分采用3個(gè)凸模拼塊拼裝組成，固定在下固定板;凹模部分則采用4個(gè)凹模拼塊組成，固定在上固板，5個(gè)φ42.31 mm孔的凸模用環(huán)氧樹脂固定在上固定板后再用螺釘緊固。下模的脫料裝置采用彈性脫料，利用彈簧頂出廢料，上模的卸料裝置采用橡膠彈性卸料+打料裝置進(jìn)行卸料。

式中，t為板料厚度;L落、L孔分別為落料、沖孔時(shí)沖裁周長(zhǎng);τ為材料抗剪強(qiáng)度，查表得400 MPa。根據(jù)公司現(xiàn)有的沖壓設(shè)備，選用JA31－315閉式單點(diǎn)壓力機(jī)。

另一副模具沖裁9個(gè)φ16.36 mm的阻尼孔和與頂部圓弧相連的9個(gè)3 mm直槽，磁極阻尼孔沖模裝配如圖3所示。

圖3 磁極阻尼孔沖模

圖3所示為磁極阻尼孔沖模采用帶導(dǎo)向裝置的正裝式?jīng)_孔模進(jìn)行裝配，下模采用2個(gè)拼塊組成，固定在下固定板上，一凹模拼塊中間加工有2個(gè)定位孔，起定位作用，另一凹模拼塊利用2個(gè)定位銷定位，沖裁3 mm直槽及9個(gè)阻尼孔，廢料通過(guò)落料孔排出。9個(gè)阻尼凸模采用環(huán)氧樹脂固定在上固定板上，采用彈性卸料。

根據(jù)公司現(xiàn)有的沖壓設(shè)備，選用JB21－100開式固定臺(tái)壓力機(jī)。

1.問(wèn)題的提出

(1)將磁極片分二次沖裁成形，必須制造2副模具，制造成本大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、沖制磁極片的時(shí)間長(zhǎng)。

(2)阻尼孔與磁極沖片頂部圓弧的位置精度有誤差;即阻尼孔發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象，經(jīng)檢測(cè)，位置精度誤差0.1～0.5 mm;各孔間的尺寸精度以及阻尼孔與磁極片外形的尺寸精度較差，在后續(xù)的裝配工作中，經(jīng)常出現(xiàn)打阻尼條難的現(xiàn)象。

(3)由于阻尼孔的廢料是通過(guò)阻尼孔刃口→凹?！鹿潭ò濉履Ｗ懦?，為避免廢料在里面堆積產(chǎn)生脹形力，把凹模脹裂，因此在刃口后端10 mm以下的位置加工大1 mm，制出漏料孔，使廢料順利排出。

刃口后端擴(kuò)大，連接阻尼孔與頂部圓弧的3 mm直槽，因沖裁面積小，經(jīng)常在沖裁時(shí)刃口崩裂，而不得不停產(chǎn)維修，如果刃口崩裂現(xiàn)象嚴(yán)重不能維修，則整個(gè)凹模報(bào)廢，需重新投料加工和裝配，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失和延誤了機(jī)組的生產(chǎn)周期。

2.問(wèn)題的分析

(1)阻尼孔錯(cuò)位的原因，即是頂部R1090 mm圓弧與9個(gè)阻尼孔R(shí)1078.85 mm圓弧半徑不在一個(gè)圓心上。以及阻尼孔與磁極片外形的尺寸精度差，主要是定位沒(méi)有調(diào)好，雖然可以重新調(diào)整定位釘與阻尼孔的位置，但由于阻尼孔與定位釘是在不同的兩塊拼塊上，因此測(cè)量與調(diào)整均有不同程度的誤差。

(2)連接阻尼孔與頂部圓弧的3 mm直槽部位在沖裁時(shí)刃口崩裂，主要原因是由于刃口后端擴(kuò)大，凹模工作部分的強(qiáng)度變差;3 mm直槽的位置面積較小，所受沖裁力應(yīng)力集中，當(dāng)抗疲勞強(qiáng)度低于沖裁力時(shí)，刃口便會(huì)崩裂。要使該部位的強(qiáng)度加強(qiáng)，唯一的措施是刃口后端不能擴(kuò)大。

3.模具制造工藝的改良措施

水輪發(fā)電機(jī)組制造周期長(zhǎng)，時(shí)間緊，要想提高效率，必須在制造工藝上進(jìn)一步提高，如果把磁極沖片的模具制造工藝由兩副模具合并為一副帶阻尼孔的落料、沖孔復(fù)合模，不但可以提高各孔間和各孔與外形的尺寸精度，還可以為企業(yè)降低制造成本，提高生產(chǎn)效率，縮短制造周期。以SF22000－12P/3600水輪發(fā)電機(jī)組的磁極沖片模具作為工藝改進(jìn)的試制產(chǎn)品，制造工藝改良措施如下:

(1)模具的下模部分采用4件下模拼塊鑲拼而成，下模拼塊1的頂部圓弧與9個(gè)3 mm直槽以及與之相連的阻尼孔一次線切割出，阻尼孔后端不需擴(kuò)大，由于是一次割出，因此保證了頂部圓弧與9個(gè)φ16.36 mm的阻尼孔圓弧半徑的同軸度和孔間的位置精度。下模裝配如圖4所示。

圖4 下模裝配圖

(2)上模外形采用4個(gè)拼塊鑲拼而成，用螺釘、圓柱銷和鴿尾銷固定在上固定板上，9個(gè)φ16.36 mm的阻尼孔凸模的固定方式，采用環(huán)氧樹脂來(lái)固定在上固定板上，為防止沖裁時(shí)因卸料力大而把凸模拔出，可在插入上固定板的凸模固定端部位開兩條4 mm×1.5 mm左右的槽，使凸模粘結(jié)更牢固。5個(gè)φ42.31 mm孔的凸模用環(huán)氧樹脂固定在上固定板后再用螺釘緊固，上模裝配如圖5所示。

圖5 上模裝配圖

(3)中間5個(gè)φ42.31 mm孔的廢料可沿著下模座排出。卸料時(shí)，由于頂部圓弧與9個(gè)3 mm直槽和φ16.36 mm的阻尼孔相連，因此9個(gè)φ16.36 mm的阻尼孔廢料必須要和周邊廢料一同卸出，周邊廢料可以通過(guò)卸料板利用彈簧彈性卸料頂出，但與頂部圓弧廢料相連的9個(gè)阻尼孔廢料卻仍卡在阻尼孔中，無(wú)法自行彈出。經(jīng)分析，要使之與周邊廢料同步彈起，必須要在9個(gè)阻尼孔下面也設(shè)置彈頂裝置。因此，9個(gè)阻尼孔的卸料裝置作了如下改進(jìn):

在與6個(gè)阻尼孔相對(duì)應(yīng)的下模座上開一條長(zhǎng)×寬×深為400 mm×40 mm×45 mm的封閉槽。裝配前，槽里面放入一條390 mm×35 mm×35 mm的橡膠，橡膠上面裝入一條經(jīng)表面淬火處理396 mm×38 mm×10 mm的45鋼板，由下固定板壓緊裝配。阻尼孔廢料彈頂裝置如圖6所示。

圖6 阻尼孔廢料彈頂裝置

車削9件φ16 mm的頂料桿，材料:45鋼，頂料桿兩頭需進(jìn)行表面淬火處理。

頂料桿的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算

式中，t1為下模拼塊1的厚度;t2為下固定板的厚度。

經(jīng)計(jì)算卡在阻尼孔的廢料頂出所需的力

橡膠彈力計(jì)算公式如下

式中，S為橡膠的橫截面積;q為橡膠的單位彈力，q=72.52 N/cm2。

橡膠彈力F＞頂件力F頂;所以卡在阻尼孔的廢料能被頂出。

(4)裝配好的模具如圖7所示。

圖7 磁極沖片模裝配圖

選用JA31－315閉式單點(diǎn)壓力機(jī)依然能滿足一次沖裁所需的沖裁力。

4.效果分析

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)磁極沖片沖模制造工藝的改進(jìn)，試沖制件經(jīng)檢驗(yàn)，9個(gè)阻尼孔與磁極沖片頂部圓弧的位置精度在0.02 mm公差范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)阻尼孔錯(cuò)位的現(xiàn)象;各孔間的尺寸精度在公差范圍內(nèi)。

(2)阻尼孔由于使用了頂料桿推出廢料，刃口后端不需制出漏料孔，因此凹模工作部分的強(qiáng)度得到加強(qiáng)，2臺(tái)機(jī)組共18000片的磁極沖片沖裁完畢后，3 mm直槽刃口部分也沒(méi)有出現(xiàn)崩裂的現(xiàn)象。

(3)把原需2副模具沖裁成形的磁極片改為用一副模具一次沖裁成形:①就工藝方面而言，各孔的相對(duì)位置、孔與外形的尺寸精度得到保證，為下一道的裝配工序奠定了良好的基礎(chǔ)。在保證了磁極片精度的前提下，還大大提高模具的使用壽命。②就經(jīng)濟(jì)效益而言，節(jié)省了一副磁極阻尼孔沖模模具的材料費(fèi)用、加工費(fèi)用;節(jié)省了該工步的沖裁時(shí)間、生產(chǎn)加工工時(shí);節(jié)省了兩道工序之間轉(zhuǎn)運(yùn)和理片的工序，減少了對(duì)壓力機(jī)設(shè)備的使用和操作工人的數(shù)量;減少了該副模具的維修費(fèi)用等。

目前設(shè)計(jì)的模具壽命可沖制15臺(tái)機(jī)組，以SF22000－12P/3600水輪發(fā)電機(jī)組磁極沖片為例，單臺(tái)機(jī)組的磁極片數(shù)量為9000件/臺(tái)，生產(chǎn)15臺(tái)磁極沖片的沖制費(fèi)用按平均180片/h，綜合折算20元/h，比較新、舊兩種模具制造工藝的制造成本和時(shí)間及經(jīng)濟(jì)效益 (見表2、表3)。

表2 傳統(tǒng)工藝的制造成本和時(shí)間

表3 新工藝的制造成本和時(shí)間

由表2、表3可以看出，用新工藝制造一副磁極沖片模比用傳統(tǒng)工藝制造2副磁極沖片模的制造費(fèi)用減少了22500元;制造工時(shí)減少了450 h，維修費(fèi)用少了1350元，沖制費(fèi)用減少了15960元，沖制工時(shí)節(jié)省了750 h，且無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)理片工時(shí)。

公司一年生產(chǎn)此類型模具在6副左右，則僅在模具的制造費(fèi)用上就將節(jié)約135000元，制造工時(shí)將節(jié)省2700 h，維修費(fèi)用將減少8100元，在沖制過(guò)程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益按9000件/臺(tái)計(jì)算，沖制費(fèi)用將減少95760元，沖制工時(shí)將減少4500 h。

在大、中型水輪發(fā)電機(jī)磁極沖片模具中使用這種一次沖裁成形的工藝方法，磁極片的質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且適用性強(qiáng)，可在今后各類水輪發(fā)電機(jī)中的磁極沖片模具生產(chǎn)推廣使用。