基于超聲波法的大型電動(dòng)機(jī)主軸加工過程殘余應(yīng)力監(jiān)控研究

張潔，邢立偉，張一沖，路浩

西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西西安 710065

1 序言

殘余應(yīng)力檢測(cè)方法分為破壞性機(jī)械法和非破壞性物理法，通常在精密、貴重及大型設(shè)備制造及服役過程中采用物理法檢測(cè)應(yīng)力，檢測(cè)方法是目前殘余應(yīng)力檢測(cè)研究的熱點(diǎn)[1-4]。目前，超聲波檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航天、航海及建筑工程等多種行業(yè)，用該方法檢測(cè)不會(huì)損傷被檢測(cè)對(duì)象性能，并能準(zhǔn)確地檢測(cè)出缺陷的大小及位置等信息，成為快速發(fā)展的無損檢測(cè)技術(shù)之一[5-7]。

大型變頻電動(dòng)機(jī)在煤礦、石化、船舶及電力等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。因大型電動(dòng)機(jī)主軸加工工藝流程較為復(fù)雜，熱應(yīng)力與焊接應(yīng)力等在不同工藝環(huán)節(jié)中傳遞、累積、演變，最終可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)主軸變形，所以在后續(xù)電動(dòng)機(jī)總組裝時(shí)必須加偏心平衡塊進(jìn)行動(dòng)平衡控制，但此方法會(huì)增加主軸重量，產(chǎn)品運(yùn)行也不穩(wěn)定。為解決上述問題，使用超聲波法對(duì)指定的主軸進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，連續(xù)跟蹤檢測(cè)電動(dòng)機(jī)主軸加工過程中的應(yīng)力變化。通過精確分析焊接、退火后的應(yīng)力變化狀態(tài)，獲取應(yīng)力分布規(guī)律和特點(diǎn)，科學(xué)制定產(chǎn)品提升改進(jìn)方案，保障產(chǎn)品質(zhì)量提升，最終可通過提高終端主軸的同軸度來解決或改善主軸各部位的加工變形問題。

2 超聲波法應(yīng)力檢測(cè)原理及設(shè)備

2.1 超聲波法應(yīng)力測(cè)量原理

超聲波法檢測(cè)應(yīng)力是利用超聲波的傳播和反射特性，通過測(cè)量和分析超聲波在材料中的聲波信號(hào)來確定材料的應(yīng)力狀態(tài)，由此可檢測(cè)出材料孔蝕、裂紋等缺陷及厚度。當(dāng)超聲波通過材料時(shí)會(huì)與材料中的缺陷、界面和晶粒相互作用，產(chǎn)生反射、透射和折射現(xiàn)象，從而聲波的能量、波形、傳播時(shí)間等發(fā)生改變，由此可根據(jù)接收到的信號(hào)特征對(duì)材料內(nèi)部情況進(jìn)行分析和判斷[7，8]。

超聲波法應(yīng)力測(cè)量的優(yōu)勢(shì)如下。

1）可以無損檢測(cè)，不影響產(chǎn)品正常工作運(yùn)行。

2）可以連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)某一關(guān)鍵部位持續(xù)進(jìn)行應(yīng)力變化監(jiān)控。

3）可重復(fù)對(duì)同一部位反復(fù)檢測(cè)，對(duì)維修、加固等施工前后的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。

4）可以對(duì)產(chǎn)品服役全過程進(jìn)行定期監(jiān)控。

5）穿透性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、無輻射等，克服了X射線檢測(cè)深度淺、操作復(fù)雜等問題[9-11]。

基于聲彈性原理的超聲波法應(yīng)力測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品殘余應(yīng)力場(chǎng)的無損快速測(cè)量，克服傳統(tǒng)方法破壞、耗時(shí)的缺點(diǎn)。

2.2 超聲波法檢測(cè)設(shè)備

采用URS-M04型超聲波法應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備，其由檢測(cè)單元、探頭系統(tǒng)、上位機(jī)等組成，并由青島費(fèi)爾檢測(cè)科技有限公司完成設(shè)備校準(zhǔn)檢定。本次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)重復(fù)性設(shè)置為：?jiǎn)吸c(diǎn)重復(fù)檢測(cè)采集8次，其中去除粗大誤差2次，剩余6次求平均給出最終值[12-14]。

3 電動(dòng)機(jī)主軸及其應(yīng)力變形

3.1 電動(dòng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)及加工工藝

主軸是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的重要組成部分，某型變頻電動(dòng)機(jī)主軸實(shí)物如圖1所示，長(zhǎng)度2100mm。材料為35CrMo優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)調(diào)質(zhì)鋼，其碳當(dāng)量高，淬硬傾向大，抗拉強(qiáng)度高。電動(dòng)機(jī)本體、軸、軸承及端蓋直接配合，形成成套設(shè)備，因軸具有旋轉(zhuǎn)功能，所以其加工及裝配精度對(duì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

圖1 電動(dòng)機(jī)主軸實(shí)物

主軸加工工藝流程：粗車→調(diào)質(zhì)→焊接→退火→精車→磨圓。顯著特點(diǎn)是臺(tái)階多、加工面多，加工過程中需將變形量控制在4.0mm以內(nèi)，但殘余應(yīng)力會(huì)引起復(fù)雜變形。

主軸變形影響因素如下。

1）多個(gè)不同直徑的機(jī)械加工面會(huì)引起主軸整體應(yīng)力的不均勻釋放；不同的加工順序影響最終殘余應(yīng)力的分布及變形狀態(tài)。

2）焊接筋板多且厚度不同，焊接順序、焊接工藝等會(huì)改變?cè)紤?yīng)力分布。

3）熱處理工藝與冷加工工序疊加，熱應(yīng)力、加工應(yīng)力復(fù)合疊加作用。

3.2 檢測(cè)線計(jì)劃

鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后機(jī)械加工成軸，軸的左側(cè)I位端有2個(gè)機(jī)械加工臺(tái)階，右側(cè)II位端有3個(gè)機(jī)械加工臺(tái)階（小臺(tái)階未計(jì)入），如圖2所示。

圖2 檢測(cè)位置定義

根據(jù)筋板焊接位置布置檢測(cè)線4條，從I位端觀察順時(shí)針方向檢測(cè)線依次命名為：O、B、N、M線；軸向沿0點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘對(duì)稱布置（見圖2e）。

檢測(cè)的應(yīng)力方向?yàn)檩S向（非曲面探頭），從左側(cè)I位端至右側(cè)II位端檢測(cè)；檢測(cè)點(diǎn)計(jì)劃間隔50mm，坐標(biāo)定義為依據(jù)I位端開始檢測(cè)點(diǎn)為0坐標(biāo)，向II位累加。

殘余應(yīng)力的檢測(cè)工序：①坯料。②筋板焊接。③焊后退火。

4 檢測(cè)結(jié)果及分析

4.1 主軸坯料殘余應(yīng)力檢測(cè)

本試驗(yàn)采用卷尺定位劃線，不同檢測(cè)線的部分測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)讀數(shù)存在毫米級(jí)誤差。主軸在坯料狀態(tài)下（退火前、焊接前）的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，可以看到坯料的殘余應(yīng)力有以下規(guī)律。

圖3 主軸坯料殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

1）坯料0、9點(diǎn)鐘殘余應(yīng)力大于3、6點(diǎn)鐘，主軸坯料呈現(xiàn)撓曲狀態(tài)。

檢測(cè)線O線的殘余應(yīng)力值大于N線（除右端臺(tái)階外），檢測(cè)線M線的殘余應(yīng)力值大于B線。

O線非臺(tái)階處的殘余應(yīng)力為60～180MPa，平均殘余應(yīng)力約為120MPa，N線非臺(tái)階處殘余應(yīng)力為0～90MPa，平均殘余應(yīng)力約為60MPa。M線非臺(tái)階處殘余應(yīng)力為60～240MPa，平均殘余應(yīng)力約為180MPa，B線非臺(tái)階處殘余應(yīng)力為0～180MPa，平均殘余應(yīng)力約為75MPa。

2）軸對(duì)稱測(cè)量線的應(yīng)力分布表現(xiàn)出相似性。如O線與N線應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，B線與M線應(yīng)力分布趨勢(shì)相同。

3）機(jī)械加工臺(tái)階處的殘余應(yīng)力高。左側(cè)I位端2個(gè)機(jī)械加工臺(tái)階，右側(cè)II位端3個(gè)機(jī)械加工臺(tái)階，在臺(tái)階下端、臺(tái)階上端應(yīng)力值高。

4）在檢測(cè)線O、N線右端距離左端1300mm處附近，有高應(yīng)力點(diǎn)，此處位于主軸坯料鍛造時(shí)的夾持處。

4.2 主軸焊接后殘余應(yīng)力檢測(cè)

主軸在焊接后的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，可以看到有以下規(guī)律。

圖4 焊接后主軸殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

1）在機(jī)械加工臺(tái)階處殘余應(yīng)力值較大。

2）筋板焊接后部分點(diǎn)殘余應(yīng)力比焊接前殘余應(yīng)力大。

4.3 主軸退火后殘余應(yīng)力檢測(cè)

主軸在退火后的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由于焊接筋板的影響，覆蓋了坯料多條原始應(yīng)力檢測(cè)線，因此進(jìn)行了B線及附近B-1線的應(yīng)力檢測(cè)?？梢钥吹胶负笸嘶馉顟B(tài)的殘余應(yīng)力有如下規(guī)律。

圖5 退火后主軸殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

1）主軸焊接退火后殘余應(yīng)力呈降低趨勢(shì)。B線坯料非臺(tái)階處殘余應(yīng)力為0～120MPa，平均殘余應(yīng)力約60MPa，B線退火后非臺(tái)階處殘余應(yīng)力為－60～90MPa，平均殘余應(yīng)力約45MPa。

2）退火后主軸左半軸應(yīng)力降低不明顯，而右半軸應(yīng)力降低明顯，但在軸徑變化的臺(tái)階處應(yīng)力有抬升現(xiàn)象。

3）主軸焊接筋板周圍出現(xiàn)了較為明顯的壓應(yīng)力，筋板焊接造成焊趾附近為拉應(yīng)力，距離I端較遠(yuǎn)區(qū)域產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

5 結(jié)束語

1）超聲波法應(yīng)力檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)不同加工工藝過程的應(yīng)力跟蹤檢測(cè)。

2）主軸坯料機(jī)械加工臺(tái)階處殘余應(yīng)力高，在鍛造夾持處有高應(yīng)力點(diǎn)，軸的對(duì)稱測(cè)量線的應(yīng)力分布表現(xiàn)出相似性。主軸退火后殘余應(yīng)力有降低現(xiàn)象。

3）焊后退火狀態(tài)下，主軸焊接筋板的周圍出現(xiàn)了較為明顯的壓應(yīng)力，筋板焊接造成焊趾附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，距離I端較遠(yuǎn)區(qū)域產(chǎn)生了壓應(yīng)力區(qū)域，從而加劇了軸的整體撓曲變形。