周贵川，邱望标

（贵州大学 工程训练中心，贵州 贵阳 550025）

0 引言

金属材料在冷、热加工过程中都会产生一定程度的残余应力，残余应力的存在不仅可以导致零件变形，还会降低金属材料的疲劳寿命及屈服极限等重要性能［1］。去除残余应力的方法目前主要有时效法、热处理、机械振动、超声波等。但是由于这几种去除残余应力的方法具有耗能大、运行周期长等特点，如自然时效法，将工件静置几个月甚至几年，花费的时间太长。因此人们在积极探索、寻求一种操作简便、效果明显、稳定而又无不良影响的去除残余应力的方法。磁处理去应力的方法在这种情况下慢慢引起大家的注意，它是将金属构件置于交变磁场中，通过交变磁场对金属构件作用逐步达到去除金属构件中残余应力的目的。

磁处理方法是一种新型的金属材料去应力处理方法，已有部分科研人员通过自己的实验及研究表明磁处理对金属材料去应力效果比较显著。华中科技大学的罗丞等［2］通过实验表明脉冲磁处理可以有效降低SKDII模具钢中的残余应力，降低的最大幅度为72.3%。北京理工大学赵文祥等［3］通过实验研究得出脉冲磁场可以去除高速钢的残余应力，明显提高高速钢的硬度。海军工程大学高俊吉等［4］通过实验研究表明直通式电磁处理技术能够降低铁磁构件的残余应力，尤其对残余应力较大的点降低效果更明显。江西理工大学的朱涛等［5－6］通过实验表明磁处理可以提升高速钢刀具的切削性、耐磨性和硬度。张有强等［7］通过研究得出磁处理可以提升采棉机摘锭的力学性能和耐磨性。贵州大学的李雪梅等［8］通过中频脉冲磁场对轴承圈进行处理的实验得出中频脉冲磁处理可以去除轴承圈内应力，进而稳定轴承圈尺寸。在国外，也有相关的磁处理去除残余应力的研究。早在20世纪末，美国Innovex公司通过磁处理松弛高速钢或碳素钢刀具中的残余应力，以提高工具的使用寿命，在某些工况下，工具处理后寿命提高量最高可达175%［9］。

此外，文献［10-13］的实验表明，脉冲磁处理可以改善金属材料的残余应力，从而改善金属材料某些方面的性能。有研究表明，磁处理去应力的机理为：工件中的位错通过其所具有的某些电磁特性与外加脉冲磁场发生相互作用，以至位错开动，分布更加均匀，导致局部塑性变形，从而引起应力松驰，降低工件的残余应力［14］。

以上的磁处理去除残余应力的研究仅限于实验室的范围内，很少有针对实际生产中零件的磁处理研究。本文以某工厂生产的薄壁离合器活塞环为研究对象，通过中频脉冲磁场对工件进行均匀的磁处理，进而研究中频脉冲磁场对离合器活塞环中残余应力的影响及相关机理。

1 实验零件及实验方法

某厂生产的离合器活塞环是用于石油开采特种车用液压离合器活塞环，由于其工作的特殊性，需要比较高的表面精度。离合器活塞环零件图如图1所示，它是一个环形零件，圆环上带有阶梯，内环有一边是锥形面，材料为中碳钢，其加工工艺路线如图2所示。活塞环粗车之后内部累积了大量的残余应力，这些应力如果不及时去除，随着加工工序的推进，会不断累积，从而造成零件在加工完之后会慢慢变形，影响活塞环的表面精度，从而产生许多废品。因此，及时去除零件内部的残余应力显得尤为重要。本次去应力实验采用中频脉冲磁处理方法，并观察中频脉冲磁处理对活塞环内部残余应力的影响。

图1 离合器活塞环零件图

图2 离合器活塞环加工工艺路线

进行磁处理实验时，把活塞环放在一个磁处理装置（如图3所示）上，加入磁处理后零件的加工工序如图4所示。图3所示磁处理装置表面的环形圈是与零件外形尺寸相匹配的磁处理区域，磁处理区域下方为一个环形磁场，是由12个额定电压为220V的电磁线圈环形分布而成，每3个电磁线圈串联在一起成为一组，4组线圈再并联接入电源，通电后电磁线圈磁极附近磁感应强度可以达到320Gs，即32mT；电源为市电经过自制的中频脉冲电源转换装置转换为频率为5kHz的中频脉冲电源。为了防止零件与电磁线圈在实验过程中摩擦损坏，在磁处理区域与环形磁场之间隔了一层0.1mm的塑料薄膜。

图3 环形磁场磁处理装置

图4 加入磁处理后零件的加工工艺路线

在进行磁处理之前，先对零件在磁场中所受到的磁场作用在Ansoft Maxwell平台上进行电磁仿真分析。图5为单个电磁线圈在通入电源之后的磁感应强度分布。由图5可以看出，电磁线圈表面的磁感应强度是最强的，因此将零件紧贴着电磁线圈进行磁处理，可以使零件达到较好的磁处理效果。

图6为零件在环形磁场中进行磁处理时的内部磁场分布。由图6中可以看出，零件只有在接触电磁线圈的部位才会受到较强的磁场作用，其他部位的场强几乎为零，基本不能进行较好的磁处理。因此，在进行零件磁处理去除残余应力实验时，应均匀地旋转零件，而且在一定时间之后应翻面进行磁处理，使零件能够受到相对均匀的磁处理。在本次实验过程中，将活塞环的一面先放到磁处理装置上面进行磁处理，每隔2min旋转一定的角度，尽量保证活塞环在圆周方向可以得到比较均匀的磁处理。在对活塞环零件的一面进行约7min磁处理后，翻面，对零件另一面进行相同的磁处理，以保证整个活塞环零件可以进行比较均匀的磁处理。

图5 单个电磁线圈磁感应强度分布

图6 零件在环形磁场中进行磁处理时的内部磁场分布

当活塞环零件内部存在残余应力时，残余应力在释放后会使该零件发生微量的变形，从而使得活塞环零件的平面度发生一定的变化。因此，本次磁处理实验是通过测量零件表面的平面度变化来观察零件内部残余应力的变化。为了统一标准，本次实验测量以零件的右侧面（如图1所示）为基准，用所得平面度的变化来判断零件的变形量，进而判断磁处理对零件内部残余应力的影响。本次实验使用测微计，采用三点打表测量法测量活塞环零件的平面度。在测量平面度时，需要将磁处理后的零件放置一晚再进行平面度的测量，这样是为了尽量保证让活塞环零件尺寸稳定后得到准确的测量结果。

2 实验结果及讨论

表1为活塞环零件磁处理前、后的平面度，图7为零件磁处理前、后平面度数值曲线。由表1和图7可见，当零件经交变磁场处理后，12个零件的平面度都有明显下降，下降的幅度都基本维持在一个相对稳定的状态。2、4、6、8、9、10、11、12号零件平面度下降0.01mm，1、3、5、7号零件平面度下降幅度较大，为0.02mm～0.03mm，这说明，在中频交变磁场处理下，离合器活塞环内部的残余应力都得到了一定程度的释放，从而导致宏观上零件表面平面度发生一定的变化。

在整个实验过程中，中频脉冲交变磁场中的磁感应强度会随着脉冲电源电流的大小变化忽高忽低，呈往复性有规律的变化。金属材料在脉冲交变磁场中，由于内部各个小区域所受到的磁力大小不一致，使金属内部各个微小区域在磁力吸引下产生的位移量不一致，导致金属内部各个微小区域之间会随着脉冲交变磁场的变化而发生伸缩。当磁感应强度较强时，金属结构内部微小区域间呈现伸的状态；当磁感应强度较弱时，金属结构内微小区域间呈现缩的状态。在一伸一缩的运动中，金属结构在中频脉冲磁场中随着脉冲频率进行相应的振动，就是这样的振动导致金属内部各个微小区域间发生相对运动，从而使得内部各个微小区域间产生交变应力。在内部交变应力作用下，工件材料内部位错的变化是一个材料内部不断被激发放出位错、位错塞积、塞积开通的过程，伴随着此过程的进行，位错密度增大而分布趋于均匀。位错在运动过程中，可提供连续塑性形变所需的晶面间滑移［15］，这样就导致工件产生局部塑性变形，从而引起一定的应力松驰，降低工件的残余应力。

表1 活塞环零件磁处理前、后平面度

图7 零件磁处理前、后平面度数值曲线

3 结论

（1）中频脉冲磁场可以使离合器活塞环内部产生交变应力。

（2）交变应力引起活塞环材料内部位错移动，使得位错均匀分布，从而使材料内部残余应力下降。交变应力的产生是活塞环内部残余应力下降的直接原因。

（3）中频脉冲磁场去除活塞环内残余应力的实验证明磁处理可以去除工件内部残余应力，为磁处理的实际应用奠定一定的试验基础。