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剪切参数对无取向电工钢板电磁性能的影响

摘要

在电机制造过程中发生的机械应力会不利地改变磁性能（铁损和磁化性），这会影响机器的效率和性能。通过改进制造工艺来降低磁性劣化，不仅能够充分利用磁性材料的潜力，同时可以改善机器的性能。剪切（冲孔，冲裁）是获得大量的电机部件最有效的制造技术。切割无取向电工钢的过程会导致钢板内部产生残余应力，导致铁损增加。本文采用有限元分析的定性方法研究了不同剪切参数冲压引起的残余应力。为了校准有限元分析，进行了剪切切割实验。对切割坯料进行单片测试分析，研究了残余应力、显微硬度测量、切割表面参数和磁性能之间的相关性。

关键词

无取向电工钢；剪切；残余应力分布；显微硬度；切割表面参数；磁性

1．介绍

制造电机的核心在于控制能量损失和磁性劣化对电工钢板磁性的不利影响。与通过在冷轧产品上进行的标准化计量所获得的电工钢板性能数据相比，制造电机过程中降低的磁性能可以直接影响电机的效率和性能。在从原材料到最终组装电机的各个制造步骤中，赋予电工钢板不同形状的过程对磁性劣化有至关重要的影响。

在这方面，改进电磁部件的制造过程可能是一种减少电机功率损耗的方法。定子和转子铁芯几乎是每台电机都要使用的两个主要部件，它们由堆叠的无取向电工钢板制成。剪切（冲孔，冲裁）和激光切割是两种最常用的制造技术。激光切割通常用来制造冲裁模型，剪切切割用于制造大量部件。无论使用这两种制造方法中的哪一种，材料的磁性都会发生变化。这是由于切削刃附近会产生残余应力。尽管目前已经使用磁光克尔效应和中子光栅干涉测量法（nGI）进行了研究，确定了远离切削刃的残余应力穿透深度，但受切割影响区域（ZASC）的残余应力分布未知。

制造链中的每个加工步骤都会导致材料内部产生残余应力。考虑冲压过程---当加工硬化达到材料的剪切断裂极限时发生材料失效。由高变形引起的应变导致ZASC中的应力。在完成切割零件并且已经去除了所有外部载荷后，应变仍然存在，材料中留下的应力称为残余应力。当受残余应力影响的电工钢板被磁化时，应力会阻止磁畴在外部磁场方向上对齐。这种影响的程度取决于残余应力的大小。

除了残余应力的大小，ZASC的穿透深度也会对整体特定损失产生影响。特别指出，在小型电机的定子齿上，两个齿侧的ZASC可以重叠。根据所使用的电工钢材料，磁性降低的区域可能会从切割边缘向外延伸15mm。假设受影响的区域宽度小于10毫米，那么使用纳米压痕法测得ZASC的穿透深度为0.4毫米。

在研究锋利和钝的切削工具对磁性能的影响后，发现切割边缘的磨损加剧时会导致更高的磁性损失。根据相关文献，当使用剪板机切割电工钢板时，冲头和模具之间的距离较小时可以使电工钢板有更好的磁性。两个切削元件之间的距离称为切削间隙（CCL）。使用工业切削工具来研究剪切切削时不同的CCL和刀具磨损状态的影响，用Epstein框架检查切割的样品。结果表明更高的切削间隙和更严重的刀具磨损导致更高的特定损耗。

用单片测试仪对断头加工和工业剪切获得的电工钢板进行测试，研究了ZASC体积的增加对残余应力的影响。两项研究都证实了Epstein框架试验的结果，其中，增加的切割线长度即ZASC的体积，会导致更高的特定损失。

本文的目的是通过改变切削工艺参数来研究电磁特性与残余应力之间的一致性。因此，我们使用工业剪切工具切割样品，使用触觉和显微硬度测量系统分析样品的几何和机械切割影响，对经处理的电工钢板进行单板试验以识别每个参数变化的磁性。为了确定ZASC中残余应力的大小和分布，进而改变剪切切削参数和坯料厚度，我们进行了剪切切削过程的有限元分析（FEA）。为了进行有限元分析，我们对材料进行了机械表征。为了确保FEA的质量，我们使用相同的切割参数将虚拟结果与剪切切割实验相关联。最后，将实验结果和仿真结果一一比较，以找出残余应力、硬度测量值、切削表面参数和磁性能之间的相关性。

2．材料

本文研究了两种不同牌号的电工钢——材料A和材料B，硅含量为2.4％（质量），厚度S₀分别为0.35和0.5毫米。两种材料均由相同的热轧材料生产。使用电火花光谱仪对材料成分进行分析。化学成分如表1所示。电工钢板在轧制方向（RD）方向和垂直方向上的光学显微照片显示，回火过程导致材料的等轴晶粒平均晶粒尺寸略小于材料A（图1）。金属板厚度上的晶粒数和显微硬度分析获得的值可以在表2中找到。

表1 化学成分

图1 材料A（a）和材料B（b）的显微照片

表2 金相分析

无取向电工钢的特征是板材厚度方向上存在少量晶粒。在冷轧和回火之后，材料涂覆有机EC3涂层。通过涂覆材料和未涂覆材料之间的比较，确定晶粒尺寸和材料的显微硬度都没有差异。

因为有限元分析（FEA），需要了解材料的应力-应变行为，因此，进行了单轴拉伸试验。除了在与轧制方向（RD）成0°、45°和90°三个方向上进行了拉伸试验之外，还使用200和750mm/min两种不同的张力速度V_t进行了实验。表3显示了标准化测试速度和750mm / min 速度下两种材料的屈服强度Rp_0.2、极限拉伸强度Rm、均匀伸长率Ag和断裂伸长率A₈₀。

表3 机械性能

结果表明，结晶织构，即施加的张力相对于RD的角度，对所有机械性能都具有显着影响（表3）。无论哪种材料受到反射，屈服和极限拉伸强度都会上升，而当试样垂直于RD取向时，均匀性和断裂伸长率会下降。无论试样的RD方向如何，提升拉伸试验速度都会略微提高拉伸强度，降低拉伸均匀性。

使用数值模拟剪切切割过程时，还必须考虑涂覆材料的摩擦值。通过剥离试验获得了涂覆材料和工具材料之间的动摩擦系数。在拉出试验中，工具的材料与剪切工具的坯料夹持器、冲头和模具的材料相同。进行了50,200和500mm / min三种不同拉出速度的试验。对于4和40MPa两个不同的接触压力，动摩擦系数的值同为0.15。对于更高的拉出速度，该值也保持不变，并且不依赖于RD。

3 .实验装置

为了校准FEA中材料的断裂行为，在工业机械单动压力机上进行剪切切割实验。除校准实验外，单片测试仪（SST）的样品也使用相同的切割工具生产。图2（a）显示了使用剪切工具剪切的示意图。金属板夹在坯料夹持器和模具之间，并通过朝向模具行进的冲头分开。为了防止工具使毛刺变平，并在切割小宽度样品时通过这种方式改变材料的应力状态，将凹槽研磨到模具中（图2（a））。

图2（a）剪切刀具的拔模; （b）经处理用于单片测试仪的不同宽度（Ws）的电工钢板。

冲头和冲模之间的相对CCL以及冲头和冲模的切削刃的半径（RP和RD）是重要的工具参数。对于本文中的研究，间隙设定为30mu;m。因此，材料A和B的相对切割间隙分别导致金属板厚度s₀变化10％和6％。研究了两种不同半径的切削刃。半径15mu;m的模具和冲头用以模拟新的锋利切削刀具，两个半径70mu;m的切削刃代表钝的已经磨损的刀具。压边框下的表面压力为300兆帕。用两种不同的切割速度（0.04和0.15m / s）生产单片测量的样品。这两个速度分别对应于每分钟60和200冲程的行程速度。因此，在FEA内不检查速度的影响;使用0.83 mm / s 的慢速测试速度来校准材料模型。

通过增加用于SST测量的样本的切割线的长度来分析切割过程对电磁特性的影响。图2（b）显示了加工钢板，为了增加单片测试器的测试区域内的剪切切割线的长度，定位系统允许改变条带宽度。新出现的残余应力的影响会使材料体积进一步增大。切割的样品宽度w_S以及剪切切割线/S的相应总长度列于表4中。样品本身必须切成120毫米的长度（图2中的虚线）（B））。将样品在0°和90°方向切割，以便研究切割线与轧制方向RD所成角度的影响。

表4 用于单片测试仪的样品宽度

资料编号：[5261]