ケイ素鋼板の水切断：基本中の基本

モーターや電化製品に使用される珪素鋼板を製造する従来の方法は、機械プレスに金型を設置する。

珪素鋼板のコールドスタンピング金型は主にオス型とメス型で構成され、プレス機に取り付けられ、珪素鋼板をモーターの固定子や回転子、変圧器の鉄片に打ち抜きます。

シリコンスチールシートダイの動作中、エッジは衝撃、せん断、曲げ力を受けます。さらに、エッジはシリコンスチールシートによって圧迫され、擦られます。シリコンスチールシートの表面に施された特殊なコーティングは、エッジの摩擦と摩耗を促進し、これがダイの通常故障の主な原因となっています。

その結果、金型の摩耗は激しく、理想的な耐用年数に達する前に、しばしば金型を研ぐ必要がある。一組の金型に含まれる打ち抜き部品の数は、理論値より少ないことが多い。

例えば ブランキング処理 あるモーターのシリコンスチールシート。それには7つの 金型の種類 総工費は19万元。ローターシートのスタンピング金型の硬度は60～62Hrcで、60tのスタンピング工作機械に取り付ける。通常、金型は20万個以上を打ち抜くことができる。

しかし、9,000回以下の使用で金型のスロット穴の縁が崩れてしまう。ダイスを研磨し（通常5～6万回）、再度機械に装着しても問題は解決しない。それどころか、崩壊は続き、ダイスの外縁に亀裂が入る。

プレス加工を続けていると、亀裂が急速に拡大し、金型が破損し、20,000回以下の使用で使えなくなる。モーターを2台生産するたびに、3種類の金型を研ぐ必要があり、そのたびに400～800元のコストがかかり、製品の製造コストが割高になる。

特に新製品の試作では、金型製造コストがかなり高く、製造サイクルも長いため、新製品開発コストが倍増する。

ケイ素鋼板の生産と要求事項

珪素鋼板はモーターや電化製品の重要な部品である。その性能は、電気エネルギーの損失や変圧器などの製品の効率、サイズ、重量に直接影響します。

したがって、ケイ素鋼板は一般的に以下の要件を満たす必要がある：

• 滑らかな表面コーティング、優れた形状、高い寸法精度、同一板内での板厚のばらつきが少ないことが求められる。
• 良好な電磁気特性と、用途要件を満たす結晶粒配向構造を有することが必要である。

珪素鋼板のブランキング工程は、珪素鋼板の典型的な特徴である メタルシャーリング ただし、以下の特別要件も満たすこと。

バーの高さ

ブランキングに使用する珪素鋼板のバリの高さは0.05mmを超えないこと。バリが機械全体の機械部品の性能に与える影響が注目されている。

珪素鋼板を使用した発電機、モーター、変圧器の電磁気特性は、バリの影響を大きく受ける。

ダイ・ブランキングは、発電機、モーター、変圧器に使用されるケイ素鋼板を成形するために使用される。多くの場合、金型製造の隙間が大きすぎたり、摩耗によって隙間が大きくなったりします。

ブランキング工程では、シリコンスチールシートが押し出され、わずかに塑性変形を起こします。この変形がシートの端に残り、バリが形成されます。

発電機のローター、ステーター、トランスのコアには、バリのあるブランキング用ケイ素鋼板が大量に使用されている。

シリコンスチールシートのバリが積層率を下げる。同じ枚数を設置するためには、モーター容量を増やさなければならない。

さらに、バリはモーターの出力電力にも影響します。バリ取り珪素鋼板を使用することで、バリ取り珪素鋼板を使用しない発電機に比べ、発電機の出力が0.1%から0.2%増加することが実証されています。

発電機の寿命への影響

シリコンスチールシートにバリがあると、積層間に大きな隙間が生じ、渦電流の発生、磁気損失の増加、温度上昇、ノイズ、さらには短絡につながり、モーターの故障につながる。

バリ取りが施されたケイ素鋼板を使用したモーターは、バリ取りが施されていないものに比べ、平均寿命が5%以上長い。

加工された珪素鋼板は、手動または自動で積み重ねられ、接合部の隙間を最小限に抑える必要がある。そのため、生産能力が最大になったときに、予備部品の精度も含めて高い精度を維持する設備が必要になる。これにより、剪断後の製品にバリがほとんどないことが保証される（ケイ素鋼板の長手方向剪断後のバリの高さは0.05mmを超えてはならない）。

そうでなければ、ラミネート時にバリがラミネート間のラップショートを引き起こし、渦電流損失を増加させ、ラミネートの充填係数を低下させる可能性がある。

中国の関連規格では、ケイ素鋼板のバリの高さは0.05mmを超えてはならないと明記されている。しかし、多くのモーター工場は効果的なバリ取りを実施していない。彼らはいまだに0.07~0.1mmという高いバリのある鋼板を取り付け、使用しており、品質に深刻な影響を及ぼしている。

さらに、シリコン鋼板表面の絶縁塗膜は、バリ取りの際に目に見える傷がついてはならない。

ストレスの影響

シリコン鋼板は、切断、プレス、積み重ねの後、次の工程を経る。 内部応力 粒を変形させ、浸透性を低下させ、比鉄損失を増加させる。

これらの影響を回避または最小化するため、冷延配向ケイ素鋼板は通常、窒素充填処理される。 アニール は、せん断加工後に約800℃の温度で処理される。この処理により、加工時に発生する応力が除去され、本来の特性が保持される。

冷間圧延された延伸ケイ素鋼板の比鉄損は、試験により以下のことが示されている。 アニール は約30%減少するが、それに伴うコスト増のため、多くのメーカーはこのプロセスを採用しないことを選択する。

鋼板鎌曲げ

珪素鋼板の特殊な性能要件を考えると、その製造において高い基準を維持することは極めて重要である。

これらの基準は、一般的な剪断金属に対する米国材料試験協会（ASTM）の側面曲げ基準（長さ6mm/3M以下）をも上回るものでなければならない。その結果、シリコンスチールシートのせん断工程レイアウトは、さらに厳しい要件を満たす必要がある。

蓮の葉の縁

剪断された珪素鋼板には、一般に蓮の葉エッジと呼ばれる目に見える波がないことが求められる。

波の場合、波高と波長の比は2.5%を超えてはならない。

この条件が満たされない場合、珪素鋼板は激しい塑性変形を起こし、その結果、ドメイン構造が損傷し、損失が大幅に増加する。

断熱

絶縁体の損傷は、剪断範囲内およびストリップ表面では許されない。さらに、シートの端部には押し出しによる損傷がないことが必要で、これらの基準を満たさない場合、鉄芯の品質に悪影響を及ぼす可能性がある。

水切断技術の応用

超高圧 水切りウォーターナイフやウォータージェットとも呼ばれるこの技術は、通常の水を多段階で加圧し、高エネルギーの水流を発生させるものである。この水流を細いノズルに導き、秒速1キロメートル近いスピードで材料を切断する。

この切断技術は超高圧水切断と呼ばれる。その起源はスコットランドまで遡ることができる。100年以上にわたる実験的研究により、工業用高圧水切断システムが開発された。

高圧水切断は特許を取得していない。しかし、1968年に米国コロンビア大学の教授が高圧水に研磨剤を導入し、研磨剤と高圧水ジェットで材料を研磨することで切断加工を加速させた。

今日、米国、ドイツ、ロシア、イタリアは、最大切断圧力550MPaという超高圧水切断技術のブレークスルーを達成している。この方法は、次のような用途に広く使われている。 切断材料 石、金属、ガラス、セラミックス、セメント製品、紙、食品、プラスチック、布、ポリウレタン、木材、皮革、ゴム、弾薬など。

水切りの主な用途は3つある：

まず、大理石、セラミックタイル、ガラス、セメント製品など、熱切断では加工できない不燃材料の切断。

第二に、鋼板、プラスチック、布、ポリウレタン、木材、皮革、ゴムなどの可燃性材料の切断である。以前は熱切断でもこれらの材料を加工できたが、燃焼部分やバリが発生することが多かった。一方、水切断ではそのような問題は発生せず、切断された材料の物理的・機械的特性は変化しない。

第三に、弾薬のような可燃性・爆発性材料の切断や、可燃性・爆発性環境での切断は、他の加工方法では代替できない。

水質に関しては、超高圧水切断には純水切断と砥粒切断の2種類がある。

水切断試験

珪素鋼板の水切断試験は、アルトルフ・ウォーターナイフを主装置として行われる。

装置の高圧発電機（APW38037Z-09A）には、アキュストリーム社から独自に輸入したスーパーチャージャー一式が搭載されている。

制御システムはリレーの代わりにPLCを使用し、コンピューターとの通信と柔軟な制御を実現している。

切断プラットフォーム(APW-2030BA)はガントリー構造で、カンチレバー構造に比べて安定性と精度が高い。

この装置には、ウィンドウズをベースとし、純正のウィンドウズXPシステムでサポートされた特別な水切断ソフトウェアを備えた産業用PCプラットフォームが装備されている。

直線部分の切断速度は800mm/min、円弧部分の切断速度は300mm/min。テストに使用したケイ素鋼板の厚さは0.5mm。

テスト終了後、切断台の水槽から製品を取り出し、乾燥させ、サイズをチェックする。この製品では、丸穴カッティングの際にナイフの進入部分のみ公差外の問題が発生した。この問題の主な原因は、プログラミング中にナイフの進入が速すぎたため、穴が楕円に感じられたことである。再テストでは、この現象はなくなり、バリは0.05mm以下になった。製品は研磨することなく積み重ねることができ、残りの部分は図面の要件を満たしていた。

結論

ケイ素鋼板の水切断プロセスのテスト結果は、適切な切断プロセスパラメーターを利用し、水質と砂の粒度を綿密に監視し、アークの入口速度と方向を制御することによって、最適な製品品質を達成できることを示している。

ウォーターカッティングには、高速、優れた品質、コスト削減、容易な製品変更など、いくつかの利点があります。さらに、金型が不要なため、新製品の試作時に特に役立ちます。これにより、生産準備サイクルが大幅に短縮され、新製品に必要な初期投資を最小限に抑えることができる。このような試作の結果は、非常に満足のいくものであった。