向家壩水電站水輪發電機定子扇形片沖制工藝

由 卉

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向家壩水電站水輪發電機定子扇形片沖制工藝

由 卉

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

金沙江向家壩水電站左岸壩后廠房水輪發電機是哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造的單機容量較大的水輪發電機，設計單機額定功率為800MW。本文主要介紹了向家壩水輪發電機定子扇形片的尺寸結構特點及沖制工藝，對影響沖片質量的關鍵因素做了分析，簡述了沖制各種定子扇形片的設備的選擇和定子扇形片復式沖裁模結構特點。

定子扇形片；沖裁力；沖床；沖模間隙

0 前言

金沙江向家壩水電站左岸壩后廠房水輪發電機是哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造的單機容量較大的水輪發電機，設計單機額定功率為800MW，公司承擔4臺發電機的設計制造，定子鐵心裝配是發電機的重要組成部分，沖片的制造質量直接影響定子鐵心的疊片裝配質量，進而影響發電機壽命、性能及運行可靠性。向家壩水輪發電機對定子沖片的質量要求非常高，沖片槽形結構尺寸特殊，造成沖片沖制困難。本文主要介紹了向家壩水輪發電機定子扇形片的沖制工藝。

1 定子扇形片沖制工藝

1.1 定子扇形片的尺寸結構特點

向家壩發電機定子扇形片的材料為：50H250無取向涂漆硅鋼片，沖片外弦長mm，軛高mm，鴿尾槽中心距305.17±0.05mm，沖片尺寸精度要求高，整個扇形片面積允許毛刺高度10μm，基本沖片結構尺寸見圖1，槽形結構尺寸特殊，下線槽口局部圖見圖2，基本沖片數量：370 890片/臺機，要達到沖片尺寸精度要求，對沖模精度要求非常高，而且要求沖模壽命可以沖制4臺機沖片，沖模制造難度大，另一方面，定子扇形片端片、測溫片種類多、數量多，見表1，沖制工藝比較復雜。為此，我們采取了一些先進、經濟的工藝方法。

圖1 定子扇形片基本沖片

圖2 下線槽口局部圖

1.2 定子鐵心基本沖片的沖制

1.2.1 沖壓設備的選擇及沖片沖制工藝過程

定子鐵心基本沖片材料，無取向涂漆硅鋼片50H250抗拉強度Rm≥450N/mm2，伸長率A%≥10[1]，平刃沖模沖裁力按下式計算[2]：

=（1）

式中：—沖裁力（N）；—沖裁周邊長度（mm）；—材料厚度（mm）；—材料抗剪強度（N/mm2）；—系數。

根據經驗一般取系數=1.3，計算沖片的所有沖裁周邊長度L≈8 572.437mm，材料厚度=0.5mm，可取材料抗剪強度等于該材料抗拉強度m的80%，即取=80%m，估算=450N/mm2，代人計算公式（1）中計算得：P≈250.7438t，考慮到通風片的材料為硅鋼片65W600，尺寸同基本沖片，同理計算通風片沖裁力≈325.9669t。

根據扇形片尺寸和沖裁力，選擇德國WENIGARTEN公司制造的500t全自動沖床沖制基本沖片。材料采用1 000mm寬50H250硅鋼片卷料，卷料由送料機構自動送入沖床，送料方向為順沖片槽中心線方向，與硅鋼片軋制方向相同，每次送料長度500mm，送料機構送料精度0.10mm，沖制后沖片含入上模，隨上模和滑塊上升，滑塊上升至上死點時，液壓打料裝置將沖片打落在一個伸入上、下模間的機械手上，隨著滑塊下落，機械手同步退出沖模，將沖片傳送至磁性傳送帶下方，磁性傳送帶靠磁力將沖片吸附在傳送帶上，傳送到指定的位置時斷磁，將沖片整齊地碼放在料托上，完成一張沖片的沖制。沖床裝有自動計數器，可累計沖片數量，當達到每臺發電機需要的沖片總數量時，沖床自動停車，也可設置沖片數值，沖制到設置數值后，沖床自動停車。設備生產效率可達到每分鐘35片。

表1 定子扇形片

1.2.2 復式沖裁模結構特點

沖模采用復式沖裁模結構，進出料方式、壓料與卸料方式根據500t全自動沖床沖制工藝而定，硅鋼片卷料送進導向方式采用活動導銷式，以料邊定位，保證卷料正確的送進方向和相對于凸、凹模處于正確的位置，全自動送料，頂桿刮板打料機構將扇形片推出上模（凹模），彈簧托板卸料結構，沖?？抗に嚩ㄎ讳N定位安裝在沖床工作臺面上，保證沖模壓力中心正對沖床壓力中心，沖模采用滾動式的導柱、導套裝置導向，保證沖模精度。

向家壩水輪發電機定子扇形片的整個面積允許毛刺高度10μm，表面平整，不允許有翹曲等缺陷，而且各種沖片總數量達到386 500片/臺機，為沖模設計和制造增加了難度。沖片的質量主要是通過斷面光亮帶大小、塌角、毛刺以及翹曲等來判斷的，復式沖裁模凸模和凹模的間隙，對沖片斷面質量有極重要的影響，增大光亮帶，減小塌角、毛刺和翹曲的主要措施是盡可能采用合理間隙的下限值，以推遲剪裂紋的產生，減小材料的拉應力和彎曲力矩，增強靜水壓效果。此外，沖裁間隙還影響模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖片的尺寸精度。

合理單邊間隙的數值一般按經驗公式計算[2]：

=（2）

式中：—單邊間隙（mm）；—材料厚度（mm）；—系數。

系數與材料性能及厚度有關，對于塑性較好薄鋼板，=6~9%，沖片材料為無取向涂漆硅鋼片50H250，=0.5mm，根據前述分析，取=6%，計算單邊間隙=0.03mm。

扇形片外形輪廓落料先計算上模（凹模）尺寸公差，上模（凹模）公差取沖片公差的1/2，下模（凸模）根據上模實際尺寸加減沖裁間隙配制；沖32孔時先計算凸模尺寸公差，凸模公差取沖片公差的1/2，凹模根據凸模實際尺寸加沖裁間隙配制。模塊材料選用合金工具鋼C12MoV，模塊采用慢走絲線切割機加工，加工精度達0.005mm，設計模具外弦長mm，沖片軛高mm，鴿尾槽中心距305.172±0.02mm，滿足沖片尺寸精度要求。

一般的定子扇形片下線槽與沖片內徑相交處無圓角，槽底也無圓角，模塊分割比較容易，可以設計成簡單的槽沖頭、槽底半徑模塊和沖片內徑模塊，模塊加工裝配相對比較容易。向家壩定子扇形片下線槽口（圖1中A處）及槽底設計為圓角0.5mm，如圖2，給模具設計及模塊加工帶來較大困難，為了加工0.5mm，將與0.5mm圓角相連的內徑圓弧和槽側邊及0.5mm圓弧設計在一個模塊上，每個齒的凸模模塊需要分為兩個模塊，分別沖制齒尖部分和齒根部分，模塊數量增多加大了模具裝配難度，模塊采用慢走絲線切割機加工模塊，模塊和模座的加工精度滿足了模具裝配要求，并滿足了圖紙要求的0.5mm圓角尺寸。

1.3 定子扇形片端片、通風片、測溫片及補償片的沖制工藝

1.3.1 定子扇形片端片

向家壩水輪發電機定子扇形片端片共有6種，每種端片的數量均為1 400片/臺機，6種端片數量合計8400片/臺機，端片的尺寸基本上與基本沖片尺寸相同，不同之處是，內半徑尺寸和在每個齒中心線位置增加了小槽，6種端片內半徑為R9 709mm~R9 730mm，相鄰尺寸的端片內半徑相差4mm~5mm，見表1。鑒于端片與基本沖片差異很小，每種沖片數量又相對不多，不考慮采用復式落料模沖制。端片的沖制分3步，第1序，落料，用基本沖片沖模沖制，第2序，沖制內半徑尺寸，第3序，在每個齒中心線位置沖小槽，以內半徑為9717mm端片為例，沖制工序示意圖見圖3。

設計制造圓弧切邊模在200t沖床沖制內半徑，如果按每種端片內半徑尺寸各制造一套切圓弧沖模，需要制造6套沖模，顯然是不經濟的，考慮到4mm~5mm相對于沖片內半徑9 709mm非常小，工藝上采取措施，按端片內半徑中間尺寸9 717mm設計一套切圓弧沖模，沖片的定位方式采用定位銷，以沖出的扇形片的2個32孔定位切圓弧，定位設計為可調節結構，沿著半徑方向可調節切圓弧半徑刃口至定位孔中心距離，從而近似地沖制出其他5種端片內半徑，疊片后形成的多邊形近似圓形，既滿足了產品質量要求，又節約了沖模費用。

沖制齒中心線小槽選用16t三坐標數控沖槽機，橫縱坐標定位精度0.03mm，分度精度10″，以2個32孔定位單沖槽，定位銷為氣動脹銷，與沖片緊密配合，定位準確，保證小槽位置和尺寸精度。三峽水輪發電機定子扇形片沖小槽采用的是在63t開式沖床單沖槽工藝，相比之下，向家壩沖小槽工藝定位更準確，自動化程度高，生產效率提高。

1.3.2 定子扇形通風片

通風片尺寸除了槽形尺寸外與基本沖片尺寸相同，材料為硅鋼片65W600，數量4 830片/臺機。通風片沖制分2道工序，第1序，采用基本沖片沖模沖制扇形片，第2序，擴槽形。設計制造一套擴槽模，按公式（1）計算沖制所有12個槽沖裁力約為222.6744t，選擇在400t沖床擴槽，沖片定位方式采用定位銷結構，沖出的扇形片以沖片上的2個32孔定位，一次沖制完成全部槽形的加工。

1.3.3 定子扇形測溫片

測溫片在基本沖片上增加了軛部測溫槽，共有3種，尺寸見圖4，每種測溫片上僅在圖示位置沖一個測溫元件用槽，每種測溫片數量210片/臺機。沖制基本沖片后，設計制造一套沖軛部測溫槽模，以基本沖片上的2個32孔定位，在63t開式沖床沖制測溫槽。沖制每種測溫片的定位方式見圖4。

1.3.4 定子扇形片補償片

一類補償片是在基本沖片軛部將沖片裁開，共4種補償片，每種補償片數量1 050片/臺機，裁開位置見圖5。為節約沖模費用，沖制基本沖片后，采用剪刃長度為1 000mm的剪床將基本沖片剪斷，得到補償片。另一類補償片是尺寸同基本沖片，材料為0.5環氧玻璃布層壓板HEC3240，數量700片/臺機，采用基本沖片沖模沖制即可。

2 定子扇形片去毛刺

沖片毛刺是在沖片斷裂分離階段形成的，并殘留在沖片斷面邊緣。毛刺較大容易引起發電機鐵心的片間短路，增大鐵心損耗和溫升，還可能會引起鐵心高度不規則。精確測量定子沖片毛刺高度以有效控制毛刺高度，對發電機來說非常重要，采用光學毛刺測量儀測量毛刺高度，測量精度0.01mm。

向家壩定子扇形片復式沖裁模新模具使用期間，沖制后扇形片毛刺高度在30μm ~40μm之間，模具使用一段時間后，毛刺高度約在70μm ~100μm之間，沖片沖制中，需監測毛刺高度，當毛刺高度大于100μm時，沖模需要復口，以保持刃口鋒利。圖紙要求整個沖片面積允許毛刺高度10μm，因此，必須有效去除毛刺。

圖5 定子扇形片補償片

去毛刺采用荷蘭引進的砂帶去毛刺機，工作原理是：鋼軸外掛20mm厚軟橡膠的工作輥、砂帶相對運動將毛刺打磨掉，橡膠上刻有10mm深、8mm寬的螺紋型槽，此槽的作用在于打掉垂直于沖片表面的毛刺，冷卻砂帶和膠輥。調整砂帶與膠輥間的間隙，將沖片有毛刺的一面與砂帶相對，放置沖片，送入去毛刺機工作輥和砂帶之間進行去毛刺，由于膠輥較軟，彈性好，所以去毛刺后，可將沖片上的毛刺打掉，滿足沖片毛刺要求，同時，砂帶對沖片基本無劃傷，沖片表面質量好。

3 定子扇形片的絕緣

向家壩定子扇形片去毛刺后，沖片兩面涂環氧聚酯酚醛半無機硅鋼片絕緣漆HEC57701，雙面漆膜厚度為15μm~20μm，在電熱涂漆生產線上涂兩遍漆。

4 結語

哈電生產的向家壩發電機定子扇形片首片檢查和疊片檢查均得到用戶的認可，沖片尺寸及表面質量滿足設計要求及定子鐵心疊片裝配要求。向家壩水輪發電機組是哈電繼生產三峽水輪發電機組后設計制造的更大型水輪發電機組，相比三峽沖片沖制工藝，向家壩定子沖片沖制工藝有了新的改進，向家壩定子扇形片的成功沖制，是對改進新工藝的驗證，對今后百萬水電機組沖片的生產有著極其重要的意義。

[1] GB/T2521-2008. 冷軋取向和無取向電工鋼帶（片）[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[2] 李碩本. 沖壓工藝學[M]. 北京: 機械工業出版社, 1984.

Punching Technology of Stator Flabellate Sheet for Hydraulic Generator of Xiangjiaba Hydroelectric Station

YOU Hui

（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

Rated power of single hydraulic generator of Xiangjiaba hydroelectric power station at dam toe on left bank of Jinshajiang river is 800MW. The unit capacity is the larger one of the hydro-generators designed and manufactured in Harbin Electric Machinery Company Limited. Dimension design feature and punching technology of stator flabellate sheet for hydraulic generator of Xiangjiaba hydroelectric station are principally introduced in this paper, including influencing punching sheet quality factors analysis, choice of punching machine of all kinds of stator sheets and design feature of stator flabellate sheet compound blanking die.

stator segement sheet; punching strength; punching machine; die clearance

TM312

A

1000-3983(2014)05-0023-05

2013-07-26

由卉（1968-），1990年7月畢業于東北重型機械學院鍛壓工藝及設備專業，長期從事水輪發電機工藝工作，高級工程師。

審稿人：張行明