脈沖磁處理對離合器活塞環中殘余應力的影響*

周貴川，邱望標

（貴州大學 工程訓練中心，貴州 貴陽 550025）

0 引言

金屬材料在冷、熱加工過程中都會產生一定程度的殘余應力，殘余應力的存在不僅可以導致零件變形，還會降低金屬材料的疲勞壽命及屈服極限等重要性能［1］。去除殘余應力的方法目前主要有時效法、熱處理、機械振動、超聲波等。但是由于這幾種去除殘余應力的方法具有耗能大、運行周期長等特點，如自然時效法，將工件靜置幾個月甚至幾年，花費的時間太長。因此人們在積極探索、尋求一種操作簡便、效果明顯、穩定而又無不良影響的去除殘余應力的方法。磁處理去應力的方法在這種情況下慢慢引起大家的注意，它是將金屬構件置于交變磁場中，通過交變磁場對金屬構件作用逐步達到去除金屬構件中殘余應力的目的。

磁處理方法是一種新型的金屬材料去應力處理方法，已有部分科研人員通過自己的實驗及研究表明磁處理對金屬材料去應力效果比較顯著。華中科技大學的羅丞等［2］通過實驗表明脈沖磁處理可以有效降低SKDII模具鋼中的殘余應力，降低的最大幅度為72.3%。北京理工大學趙文祥等［3］通過實驗研究得出脈沖磁場可以去除高速鋼的殘余應力，明顯提高高速鋼的硬度。海軍工程大學高俊吉等［4］通過實驗研究表明直通式電磁處理技術能夠降低鐵磁構件的殘余應力，尤其對殘余應力較大的點降低效果更明顯。江西理工大學的朱濤等［5－6］通過實驗表明磁處理可以提升高速鋼刀具的切削性、耐磨性和硬度。張有強等［7］通過研究得出磁處理可以提升采棉機摘錠的力學性能和耐磨性。貴州大學的李雪梅等［8］通過中頻脈沖磁場對軸承圈進行處理的實驗得出中頻脈沖磁處理可以去除軸承圈內應力，進而穩定軸承圈尺寸。在國外，也有相關的磁處理去除殘余應力的研究。早在20世紀末，美國Innovex公司通過磁處理松弛高速鋼或碳素鋼刀具中的殘余應力，以提高工具的使用壽命，在某些工況下，工具處理后壽命提高量最高可達175%［9］。

此外，文獻［10-13］的實驗表明，脈沖磁處理可以改善金屬材料的殘余應力，從而改善金屬材料某些方面的性能。有研究表明，磁處理去應力的機理為：工件中的位錯通過其所具有的某些電磁特性與外加脈沖磁場發生相互作用，以至位錯開動，分布更加均勻，導致局部塑性變形，從而引起應力松馳，降低工件的殘余應力［14］。

以上的磁處理去除殘余應力的研究僅限于實驗室的范圍內，很少有針對實際生產中零件的磁處理研究。本文以某工廠生產的薄壁離合器活塞環為研究對象，通過中頻脈沖磁場對工件進行均勻的磁處理，進而研究中頻脈沖磁場對離合器活塞環中殘余應力的影響及相關機理。

1 實驗零件及實驗方法

某廠生產的離合器活塞環是用于石油開采特種車用液壓離合器活塞環，由于其工作的特殊性，需要比較高的表面精度。離合器活塞環零件圖如圖1所示，它是一個環形零件，圓環上帶有階梯，內環有一邊是錐形面，材料為中碳鋼，其加工工藝路線如圖2所示。活塞環粗車之后內部累積了大量的殘余應力，這些應力如果不及時去除，隨著加工工序的推進，會不斷累積，從而造成零件在加工完之后會慢慢變形，影響活塞環的表面精度，從而產生許多廢品。因此，及時去除零件內部的殘余應力顯得尤為重要。本次去應力實驗采用中頻脈沖磁處理方法，并觀察中頻脈沖磁處理對活塞環內部殘余應力的影響。

圖1 離合器活塞環零件圖

圖2 離合器活塞環加工工藝路線

進行磁處理實驗時，把活塞環放在一個磁處理裝置（如圖3所示）上，加入磁處理后零件的加工工序如圖4所示。圖3所示磁處理裝置表面的環形圈是與零件外形尺寸相匹配的磁處理區域，磁處理區域下方為一個環形磁場，是由12個額定電壓為220V的電磁線圈環形分布而成，每3個電磁線圈串聯在一起成為一組，4組線圈再并聯接入電源，通電后電磁線圈磁極附近磁感應強度可以達到320Gs，即32mT；電源為市電經過自制的中頻脈沖電源轉換裝置轉換為頻率為5kHz的中頻脈沖電源。為了防止零件與電磁線圈在實驗過程中摩擦損壞，在磁處理區域與環形磁場之間隔了一層0.1mm的塑料薄膜。

圖3 環形磁場磁處理裝置

圖4 加入磁處理后零件的加工工藝路線

在進行磁處理之前，先對零件在磁場中所受到的磁場作用在Ansoft Maxwell平臺上進行電磁仿真分析。圖5為單個電磁線圈在通入電源之后的磁感應強度分布。由圖5可以看出，電磁線圈表面的磁感應強度是最強的，因此將零件緊貼著電磁線圈進行磁處理，可以使零件達到較好的磁處理效果。

圖6為零件在環形磁場中進行磁處理時的內部磁場分布。由圖6中可以看出，零件只有在接觸電磁線圈的部位才會受到較強的磁場作用，其他部位的場強幾乎為零，基本不能進行較好的磁處理。因此，在進行零件磁處理去除殘余應力實驗時，應均勻地旋轉零件，而且在一定時間之后應翻面進行磁處理，使零件能夠受到相對均勻的磁處理。在本次實驗過程中，將活塞環的一面先放到磁處理裝置上面進行磁處理，每隔2min旋轉一定的角度，盡量保證活塞環在圓周方向可以得到比較均勻的磁處理。在對活塞環零件的一面進行約7min磁處理后，翻面，對零件另一面進行相同的磁處理，以保證整個活塞環零件可以進行比較均勻的磁處理。

圖5 單個電磁線圈磁感應強度分布

圖6 零件在環形磁場中進行磁處理時的內部磁場分布

當活塞環零件內部存在殘余應力時，殘余應力在釋放后會使該零件發生微量的變形，從而使得活塞環零件的平面度發生一定的變化。因此，本次磁處理實驗是通過測量零件表面的平面度變化來觀察零件內部殘余應力的變化。為了統一標準，本次實驗測量以零件的右側面（如圖1所示）為基準，用所得平面度的變化來判斷零件的變形量，進而判斷磁處理對零件內部殘余應力的影響。本次實驗使用測微計，采用三點打表測量法測量活塞環零件的平面度。在測量平面度時，需要將磁處理后的零件放置一晚再進行平面度的測量，這樣是為了盡量保證讓活塞環零件尺寸穩定后得到準確的測量結果。

2 實驗結果及討論

表1為活塞環零件磁處理前、后的平面度，圖7為零件磁處理前、后平面度數值曲線。由表1和圖7可見，當零件經交變磁場處理后，12個零件的平面度都有明顯下降，下降的幅度都基本維持在一個相對穩定的狀態。2、4、6、8、9、10、11、12號零件平面度下降0.01mm，1、3、5、7號零件平面度下降幅度較大，為0.02mm～0.03mm，這說明，在中頻交變磁場處理下，離合器活塞環內部的殘余應力都得到了一定程度的釋放，從而導致宏觀上零件表面平面度發生一定的變化。

在整個實驗過程中，中頻脈沖交變磁場中的磁感應強度會隨著脈沖電源電流的大小變化忽高忽低，呈往復性有規律的變化。金屬材料在脈沖交變磁場中，由于內部各個小區域所受到的磁力大小不一致，使金屬內部各個微小區域在磁力吸引下產生的位移量不一致，導致金屬內部各個微小區域之間會隨著脈沖交變磁場的變化而發生伸縮。當磁感應強度較強時，金屬結構內部微小區域間呈現伸的狀態；當磁感應強度較弱時，金屬結構內微小區域間呈現縮的狀態。在一伸一縮的運動中，金屬結構在中頻脈沖磁場中隨著脈沖頻率進行相應的振動，就是這樣的振動導致金屬內部各個微小區域間發生相對運動，從而使得內部各個微小區域間產生交變應力。在內部交變應力作用下，工件材料內部位錯的變化是一個材料內部不斷被激發放出位錯、位錯塞積、塞積開通的過程，伴隨著此過程的進行，位錯密度增大而分布趨于均勻。位錯在運動過程中，可提供連續塑性形變所需的晶面間滑移［15］，這樣就導致工件產生局部塑性變形，從而引起一定的應力松馳，降低工件的殘余應力。

表1 活塞環零件磁處理前、后平面度

圖7 零件磁處理前、后平面度數值曲線

3 結論

（1）中頻脈沖磁場可以使離合器活塞環內部產生交變應力。

（2）交變應力引起活塞環材料內部位錯移動，使得位錯均勻分布，從而使材料內部殘余應力下降。交變應力的產生是活塞環內部殘余應力下降的直接原因。

（3）中頻脈沖磁場去除活塞環內殘余應力的實驗證明磁處理可以去除工件內部殘余應力，為磁處理的實際應用奠定一定的試驗基礎。