超声冲击去应力处理技术在牵引电机加工工艺中的应用

2020-03-06王梓林鲍泉毛晓军

环境技术 2020年1期

王梓林，鲍泉,毛晓军

（中车株洲电机有限公司，株洲 412001）

引言

在某型窄轨出口电机的研制过程中，电机定子由于设计条件严酷，电机定子对应力释放极其敏感，机座止口加工后应力变形严重无法到达设计要求。电机整体性能受到致命影响。

牵引电机定子在加工过程中，接线盒与机座、拉板与铁心之间常采用焊接的方式，在焊接过程中产生内部残余应力[1]。残余应力值过大，导致定子关键尺寸应力变形，特别是定子两端止口加工精度及同轴度，其变形结果会影响整个电机端盖在定子上的装配状态，从而影响端盖内轴承的相对位置关系，最终影响整台电动机工作性能。因此，减小定子加工后过程中焊接残余应释放对精度尺寸加工的负面影响是保证电机最终装配精度中的重要手段。

超声冲击去应力法是一种对零件或焊缝表面进行高频做功已到达到释放物体或焊缝表面原子团间应力的工艺方法[2]。对焊缝进行超声冲击去应力处理有利于优化应力分布、减小焊缝应力等级，进而减小物体加工后由应力释放发生的变形，提高加工精度。本研究以某型加工后应力变形强烈的电机结构为例，对定子焊接后焊缝残余应力对构件尺寸变形的影响进行了研究，为牵引电机定子的设计以及加工过程中涉及的应力变形控制提供了依据。

1 超声冲击技术简介

超声冲击UTT/UP 技术最初在1972年，由Paton 焊接研究所（乌克兰）在首先提出，并由俄罗斯量子研究院和Paton 焊接研究所和共同研发。本技术最早应用于舰船焊接机构，主要作用为降低焊缝的焊接残余应力，改善焊缝的焊接应力分布。 Polozly 等人在1974年公开相关的学术论文。

经过多年技术优化，现在市场上提供的超声冲击设备与传统设备相比具有频率高、能量大，聚焦性好、性能稳定等优势。这种应力去除方式相对传统的热时效应力去除方式具有节能环保，作用区域集中，作业灵活等优点。非常适合焊接结构件（如焊缝去应力）局部去应力操作，不适合整体去应力操作（如铸件）。超声冲击去应力的原理与传统超声冲击去应力的作用原理完全一致。

焊接件残余应力都集中在焊缝附近，研究残余应力的影响不仅考虑其数值的大小，焊接残余应力的方向也是个重要因素。焊接构件如果存在严重的残余应力集中，焊接构件在其运输和使用过程中也会因残余应力的释放而发生永久性的塑性变形，从而影响构件的尺寸精度。

超声冲击通过执行机构对金属表面进行大功率的超声冲击，由于高频、高效、聚焦下的大能量冲击物体表面，造成金属表面压缩塑性变形，物体表面微观结构更平滑（粗糙度降低），并产生一定数值的压应力，使得金属表面应力场重新分布，残余应力值总体降低。

2 试验方案制定与实施

2.1 方案制定

该型电机定子在加工过程中的焊接主要有机座和接线盒两处焊缝，现有工艺是在焊接结束后进行止口的加工，没有进行去应力处理，止口加工后出现止口由于应力释放产生止口变形的现象，因此本研究在原工艺基础上，在焊接结束后、止口加工前增加了超声冲击去应力处理工序，具体试验方案如图1 所示。

图1 试验方案

图2 止口位置示意图

2.2 试验的实施

针对a、b 两种工艺方法，每种方法采用10 个定子进行试验，定子加工过程中除b 工艺中增加超声冲击去应力处理外其余加工参数完全一样（包括车床的车削参数），分别测量图2 中止口的尺寸以及止口圆度。

2.3 试验结果

两种工艺下传动端止口直径尺寸和圆度测量结果的平均值如图3 所示，非传动端止口直径尺寸和圆度测量结果的平均值如图4 所示。

从图中可以看出，在定子机座加工完成后与定子机座放置24 h 后止口圆度的变化量相对于刚加工完后与加工24 h 后的变化量很小，说明应力释放产生的变形得到了有效的降低，止口因应力释放所产生的变形已基本能够有效的控制。

从图中尺寸的变化可以看出，在原有工艺下，止口在加工完成之后，直径以及圆度的变化量均较大，这是由于焊缝在没有经过去应力处理情况下残余应力较大，由应力释放产生的变形也较大。采用超声冲击去应力处理之后，和原有工艺相比，最终定子加工完成后的尺寸及圆度相对于刚加工之后的变化明显较小，说明对焊缝进行超声冲击去应力处理能够在很大程度上提高定子止口的加工精度，满足工艺需求。