基于超聲波法的大型電動機主軸加工過程殘余應力監(jiān)控研究

張潔，邢立偉，張一沖，路浩

西安石油大學材料科學與工程學院 陜西西安 710065

1 序言

殘余應力檢測方法分為破壞性機械法和非破壞性物理法，通常在精密、貴重及大型設備制造及服役過程中采用物理法檢測應力，檢測方法是目前殘余應力檢測研究的熱點[1-4]。目前，超聲波檢測技術快速發(fā)展，在國內(nèi)外廣泛應用于醫(yī)療、航天、航海及建筑工程等多種行業(yè)，用該方法檢測不會損傷被檢測對象性能，并能準確地檢測出缺陷的大小及位置等信息，成為快速發(fā)展的無損檢測技術之一[5-7]。

大型變頻電動機在煤礦、石化、船舶及電力等領域具有廣泛應用。因大型電動機主軸加工工藝流程較為復雜，熱應力與焊接應力等在不同工藝環(huán)節(jié)中傳遞、累積、演變，最終可能會導致電動機主軸變形，所以在后續(xù)電動機總組裝時必須加偏心平衡塊進行動平衡控制，但此方法會增加主軸重量，產(chǎn)品運行也不穩(wěn)定。為解決上述問題，使用超聲波法對指定的主軸進行殘余應力檢測，連續(xù)跟蹤檢測電動機主軸加工過程中的應力變化。通過精確分析焊接、退火后的應力變化狀態(tài)，獲取應力分布規(guī)律和特點，科學制定產(chǎn)品提升改進方案，保障產(chǎn)品質量提升，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 超聲波法應力檢測原理及設備

2.1 超聲波法應力測量原理

超聲波法檢測應力是利用超聲波的傳播和反射特性，通過測量和分析超聲波在材料中的聲波信號來確定材料的應力狀態(tài)，由此可檢測出材料孔蝕、裂紋等缺陷及厚度。當超聲波通過材料時會與材料中的缺陷、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、傳播時間等發(fā)生改變，由此可根據(jù)接收到的信號特征對材料內(nèi)部情況進行分析和判斷[7，8]。

超聲波法應力測量的優(yōu)勢如下。

1）可以無損檢測，不影響產(chǎn)品正常工作運行。

2）可以連續(xù)、實時檢測，對某一關鍵部位持續(xù)進行應力變化監(jiān)控。

3）可重復對同一部位反復檢測，對維修、加固等施工前后的應力狀態(tài)進行對比。

4）可以對產(chǎn)品服役全過程進行定期監(jiān)控。

5）穿透性強、操作簡單、無輻射等，克服了X射線檢測深度淺、操作復雜等問題[9-11]。

基于聲彈性原理的超聲波法應力測量方法，可實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品殘余應力場的無損快速測量，克服傳統(tǒng)方法破壞、耗時的缺點。

2.2 超聲波法檢測設備

采用URS-M04型超聲波法應力檢測設備，其由檢測單元、探頭系統(tǒng)、上位機等組成，并由青島費爾檢測科技有限公司完成設備校準檢定。本次現(xiàn)場應力檢測重復性設置為：單點重復檢測采集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 電動機主軸及其應力變形

3.1 電動機主軸結構及加工工藝

主軸是電動機產(chǎn)品的重要組成部分，某型變頻電動機主軸實物如圖1所示，長度2100mm。材料為35CrMo優(yōu)質合金結構調(diào)質鋼，其碳當量高，淬硬傾向大，抗拉強度高。電動機本體、軸、軸承及端蓋直接配合，形成成套設備，因軸具有旋轉功能，所以其加工及裝配精度對電動機的穩(wěn)定運行意義重大。

圖1 電動機主軸實物

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

主軸變形影響因素如下。

1）多個不同直徑的機械加工面會引起主軸整體應力的不均勻釋放；不同的加工順序影響最終殘余應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、焊接工藝等會改變原始應力分布。

3）熱處理工藝與冷加工工序疊加，熱應力、加工應力復合疊加作用。

3.2 檢測線計劃

鍛件經(jīng)調(diào)質處理后機械加工成軸，軸的左側I位端有2個機械加工臺階，右側II位端有3個機械加工臺階（小臺階未計入），如圖2所示。

圖2 檢測位置定義

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

檢測的應力方向為軸向（非曲面探頭），從左側I位端至右側II位端檢測；檢測點計劃間隔50mm，坐標定義為依據(jù)I位端開始檢測點為0坐標，向II位累加。

殘余應力的檢測工序：①坯料。②筋板焊接。③焊后退火。

4 檢測結果及分析

4.1 主軸坯料殘余應力檢測

本試驗采用卷尺定位劃線，不同檢測線的部分測點坐標讀數(shù)存在毫米級誤差。主軸在坯料狀態(tài)下（退火前、焊接前）的殘余應力檢測結果如圖3所示，可以看到坯料的殘余應力有以下規(guī)律。

圖3 主軸坯料殘余應力檢測結果

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

檢測線O線的殘余應力值大于N線（除右端臺階外），檢測線M線的殘余應力值大于B線。

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

2）軸對稱測量線的應力分布表現(xiàn)出相似性。如O線與N線應力分布趨勢相同，B線與M線應力分布趨勢相同。

3）機械加工臺階處的殘余應力高。左側I位端2個機械加工臺階，右側II位端3個機械加工臺階，在臺階下端、臺階上端應力值高。

4）在檢測線O、N線右端距離左端1300mm處附近，有高應力點，此處位于主軸坯料鍛造時的夾持處。

4.2 主軸焊接后殘余應力檢測

主軸在焊接后的殘余應力檢測結果如圖4所示，可以看到有以下規(guī)律。

圖4 焊接后主軸殘余應力檢測結果

1）在機械加工臺階處殘余應力值較大。

2）筋板焊接后部分點殘余應力比焊接前殘余應力大。

4.3 主軸退火后殘余應力檢測

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

圖5 退火后主軸殘余應力檢測結果

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

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

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

5 結束語

1）超聲波法應力檢測可以實現(xiàn)不同加工工藝過程的應力跟蹤檢測。

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

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