1．目的及意义

1.1 研究背景

轴承是机械设备中用以支撑回转运动的关键零件，在业内被誉为是机械的关节^[1]。M50轴承钢（国产牌号Cr4Mo4V）作为高温高速轴承钢已成为应用最为广泛的航空发动机主轴轴承材料^[2]。随着航空技术的高速发展，航空发动机轴承的工作条件越来越苛刻导致频繁失效，轴承套圈是滚动轴承的重要零件，套圈失效是轴承失效的重要原因之一^[3]，改进套圈的质量可以极大程度的提高轴承产品质量^[4]，有利于产生良好的经济效益。成形工艺对轴承套圈的影响巨大，一定程度上决定了轴承的使用寿命。

传统轴承套圈成形工艺如热锻、冷辗、车加工^[5]等操作复杂，无法保证产品精度导致套圈产生较大缺陷。相比之下，冷轧塑性成形环类零件是更为先进的塑性成形工艺^[6]，环件冷轧成形工艺能够通过有效塑性变形改善套圈的冲击韧性、强度、硬度，降低摩擦系数提升耐磨性等，改善套圈最终服役性能，提升轴承套圈使用寿命，同时具有污染小、材料利用率高等优点^[7-10]。然而室温下环件塑性变形能力较差导致冷轧塑性成形过程中会产生较高的残余应力使套圈内部产生微裂纹引起车削和热处理变形^[6]，致使轴承套圈产生较大的加工余量甚至成为废品。此外，对于在恶劣环境下工作的轴承套圈，残余应力的出现通常伴随着极端温度、过载、热通量和强烈侵蚀导致疲劳强度的减损、应力腐蚀开裂和抗蠕变开裂^[5]，这将严重影响发动机性能。因此，如何有效消除冷轧残余应力，最大化发挥性能提升方面的优势成为当前需要重点解决的问题。

残余应力的消除一直以来是各国学者们的研究重点，现有消除残余应力的手段不在少数但都有较大局限性，如传统热处理法虽能显著消除残余应力提升工件力学性能但需使用专用加热炉、耗能高、污染环境、容易产生新的变形和二次应力；传统力法如振动时效法、超声波时效法、锤击法、爆炸法能耗低绿色环保且也能有效消除残余应力但工艺要求比较严格^[11,12]。本文将采用全新的脉冲电流法对轴承套圈残余应力进行调控，研究脉冲电流作用下轴承套圈残余应力的变化规律。

近年来电处理法在生产加工中逐渐显露，电处理已经在许多领域展现出了传统热处理工艺法无法超越的优越性。脉冲电流处理作为一种材料性能改善的新工艺，在应用领域和机电零部件多功能要求方面有着独特优势。乌克兰的G.V.Stepanov^[13]、中科院金属所郭敬东^[14]等学者在研究中通过将高能脉冲电流通入金属构件内部的方式发现，电流处理使金属内部原子发生扩散，诱发高度冷轧变形组织的回复并降低位错密度，从根本上改善了材料的性能，此方式在显著调控冷轧组织残余应力的同时还具有低成本、低能耗、低污染、高效率、操作简捷等优点^[12]。目前脉冲电法改善金属微观组织性能已经逐渐应用于企业生产制造过程中，在消除残余应力及微观组织性能改善方面起到了显著作用，获得了较好的经济和社会效益。但脉冲电流消除残余应力法还未能进入航空业等高端技术领域，且现有研究仅限于对常见金属材料电流处理后残余应力松弛的报道，对于冷轧M50轴承套圈残余应力消除方面的研究尚属空白。基于此，研究脉冲电流对冷轧M50轴承套圈残余应力的影响不仅有利于套圈性能的改善，在一定程度上还可以指导脉冲电流法消除残余应力在其它航天产品上的应用，具有重大的工程意义。

1.2 研究现状

国外研究脉冲电流调控残余应力的学者主要是乌克兰的G.V.Stepanov和A.I.Babutsldi^[10]，发现脉冲电流可以促进试样残余应力的松弛，通过实验证实了脉冲电流能够降低834钛合金涂层的残余应力，有效的减少了不锈钢Kh18N10T板材磨削时产生的残余应力。国内这方面的研究学者主要是中科院金属研究所的郭敬东^[14]课题组及浙江大学何闻^[11,12]课题组成员。郭敬东课题组的王景鹏^[14]硕士对Cr40淬火钢进行高密度脉冲电流处理，试验中发现Cr40淬火钢在6.3kA/mmsup2;的脉冲电流密度作用下，仅需700μs便可使残余应力完全消除，同时阐明了电流热效应对残余应力弛豫的影响，对脉冲电流作用下残余应力弛豫的机理做出了合理的解释。浙江大学的潘龙^[11]博士研究了脉冲电流对45钢试样残余应力的影响，建立了脉冲电流影响碳钢微观结构动态行为机制的模型，验证了脉冲电流法调控残余应力的机理。浙江大学郑毅建^[12]博士研制了适用于电脉冲法消除残余应力的电脉冲发生装置，论证了不同电参数作用下电脉冲法消除残余应力的作用规律，提出了基于电参数法的脉冲时效的定量评价技术。大连理工大学范蓉^[15]博士通过研究揭示了铜合金和铝合金在不同电流形式下存在焦耳热效应和明显的纯电致塑性效应的现象，提出了一种基于新型表面微纹理制造技术的电辅助微轧制成形工艺。以上各研究均客观的表明了脉冲电流有效消除了各类材料的残余应力，不同程度的揭示了脉冲电流调控残余应力的机理，建立了不同脉冲电流参数与残余应力之间的联系，在脉冲电流与冷轧轴承套圈残余应力之间搭建了桥梁，为后续相关研究积累了宝贵的经验，提供了可靠的事实支撑与理论依据。

脉冲电流法是一门新兴残余应力调控技术，若将脉冲电流法与于环形冷轧成形工艺相结合，将对轴承套圈轧后残余应力的消除起到关键性作用，显著提升套圈使用性能。但目前国内外对脉冲电流法调控冷轧轴承套圈残余应力方面的研究鲜有报道，仍需进行进一步系统性的研究。

1.3 研究目的及意义

本课题以高温轴承钢M50为研究对象，提出采用脉冲电场来调控轴承套圈冷轧残余应力的方法，从脉冲电场的角度开展轴承套圈冷轧残余应力的研究，探讨不同脉冲电场工艺条件对轴承套圈残余应力的影响规律，为航空发动机轴承的控形控性制造提供科学支撑。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1 基本内容