超聲沖擊去應(yīng)力處理技術(shù)在牽引電機(jī)加工工藝中的應(yīng)用

王梓林，鮑泉,毛曉軍

（中車株洲電機(jī)有限公司， 株洲 412001）

引言

在某型窄軌出口電機(jī)的研制過程中，電機(jī)定子由于設(shè)計(jì)條件嚴(yán)酷，電機(jī)定子對應(yīng)力釋放極其敏感，機(jī)座止口加工后應(yīng)力變形嚴(yán)重?zé)o法到達(dá)設(shè)計(jì)要求。電機(jī)整體性能受到致命影響。

牽引電機(jī)定子在加工過程中，接線盒與機(jī)座、拉板與鐵心之間常采用焊接的方式，在焊接過程中產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力[1]。殘余應(yīng)力值過大，導(dǎo)致定子關(guān)鍵尺寸應(yīng)力變形，特別是定子兩端止口加工精度及同軸度，其變形結(jié)果會影響整個(gè)電機(jī)端蓋在定子上的裝配狀態(tài)，從而影響端蓋內(nèi)軸承的相對位置關(guān)系，最終影響整臺電動機(jī)工作性能。因此，減小定子加工后過程中焊接殘余應(yīng)釋放對精度尺寸加工的負(fù)面影響是保證電機(jī)最終裝配精度中的重要手段。

超聲沖擊去應(yīng)力法是一種對零件或焊縫表面進(jìn)行高頻做功已到達(dá)到釋放物體或焊縫表面原子團(tuán)間應(yīng)力的工藝方法[2]。對焊縫進(jìn)行超聲沖擊去應(yīng)力處理有利于優(yōu)化應(yīng)力分布、減小焊縫應(yīng)力等級，進(jìn)而減小物體加工后由應(yīng)力釋放發(fā)生的變形，提高加工精度。本研究以某型加工后應(yīng)力變形強(qiáng)烈的電機(jī)結(jié)構(gòu)為例，對定子焊接后焊縫殘余應(yīng)力對構(gòu)件尺寸變形的影響進(jìn)行了研究，為牽引電機(jī)定子的設(shè)計(jì)以及加工過程中涉及的應(yīng)力變形控制提供了依據(jù)。

1 超聲沖擊技術(shù)簡介

超聲沖擊UTT/UP 技術(shù)最初在1972年，由Paton 焊接研究所（烏克蘭）在首先提出，并由俄羅斯量子研究院和Paton 焊接研究所和共同研發(fā)。本技術(shù)最早應(yīng)用于艦船焊接機(jī)構(gòu)，主要作用為降低焊縫的焊接殘余應(yīng)力，改善焊縫的焊接應(yīng)力分布。 Polozly 等人在1974年公開相關(guān)的學(xué)術(shù)論文。

經(jīng)過多年技術(shù)優(yōu)化，現(xiàn)在市場上提供的超聲沖擊設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備相比具有頻率高、能量大，聚焦性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。這種應(yīng)力去除方式相對傳統(tǒng)的熱時(shí)效應(yīng)力去除方式具有節(jié)能環(huán)保，作用區(qū)域集中，作業(yè)靈活等優(yōu)點(diǎn)。非常適合焊接結(jié)構(gòu)件（如焊縫去應(yīng)力）局部去應(yīng)力操作，不適合整體去應(yīng)力操作（如鑄件）。超聲沖擊去應(yīng)力的原理與傳統(tǒng)超聲沖擊去應(yīng)力的作用原理完全一致。

焊接件殘余應(yīng)力都集中在焊縫附近，研究殘余應(yīng)力的影響不僅考慮其數(shù)值的大小，焊接殘余應(yīng)力的方向也是個(gè)重要因素。焊接構(gòu)件如果存在嚴(yán)重的殘余應(yīng)力集中，焊接構(gòu)件在其運(yùn)輸和使用過程中也會因殘余應(yīng)力的釋放而發(fā)生永久性的塑性變形，從而影響構(gòu)件的尺寸精度。

超聲沖擊通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對金屬表面進(jìn)行大功率的超聲沖擊，由于高頻、高效、聚焦下的大能量沖擊物體表面，造成金屬表面壓縮塑性變形，物體表面微觀結(jié)構(gòu)更平滑（粗糙度降低），并產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，使得金屬表面應(yīng)力場重新分布，殘余應(yīng)力值總體降低。

2 試驗(yàn)方案制定與實(shí)施

2.1 方案制定

該型電機(jī)定子在加工過程中的焊接主要有機(jī)座和接線盒兩處焊縫，現(xiàn)有工藝是在焊接結(jié)束后進(jìn)行止口的加工，沒有進(jìn)行去應(yīng)力處理，止口加工后出現(xiàn)止口由于應(yīng)力釋放產(chǎn)生止口變形的現(xiàn)象，因此本研究在原工藝基礎(chǔ)上，在焊接結(jié)束后、止口加工前增加了超聲沖擊去應(yīng)力處理工序，具體試驗(yàn)方案如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)方案

圖2 止口位置示意圖

2.2 試驗(yàn)的實(shí)施

針對a、b 兩種工藝方法，每種方法采用10 個(gè)定子進(jìn)行試驗(yàn)，定子加工過程中除b 工藝中增加超聲沖擊去應(yīng)力處理外其余加工參數(shù)完全一樣（包括車床的車削參數(shù)），分別測量圖2 中止口的尺寸以及止口圓度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

兩種工藝下傳動端止口直徑尺寸和圓度測量結(jié)果的平均值如圖3 所示，非傳動端止口直徑尺寸和圓度測量結(jié)果的平均值如圖4 所示。

從圖中可以看出，在定子機(jī)座加工完成后與定子機(jī)座放置24 h 后止口圓度的變化量相對于剛加工完后與加工24 h 后的變化量很小，說明應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形得到了有效的降低，止口因應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的變形已基本能夠有效的控制。

從圖中尺寸的變化可以看出，在原有工藝下，止口在加工完成之后，直徑以及圓度的變化量均較大，這是由于焊縫在沒有經(jīng)過去應(yīng)力處理情況下殘余應(yīng)力較大，由應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形也較大。采用超聲沖擊去應(yīng)力處理之后，和原有工藝相比，最終定子加工完成后的尺寸及圓度相對于剛加工之后的變化明顯較小，說明對焊縫進(jìn)行超聲沖擊去應(yīng)力處理能夠在很大程度上提高定子止口的加工精度，滿足工藝需求。

圖3 傳動端止口尺寸變化

圖4 非傳動端止口尺寸變化

3 結(jié)語

本研究采用對比的方法，研究了增加超聲沖擊去應(yīng)力處理后，牽引電機(jī)定子止口在加工完成后，其直徑及圓度隨時(shí)間的變化量，其結(jié)果表明：

1）定子止口加工放置24 h 后，直徑和圓度的變化量較小，止口因應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的變形已基本有效的控制。

2）對焊縫進(jìn)行超聲沖擊去應(yīng)力處理的方法，能夠減小定子止口加工后，其直徑和圓度由于殘余應(yīng)力釋放引起的的變形，進(jìn)而提高牽引電機(jī)定子止口的加工精度。