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齒輪表面完整性的無(wú)損檢測(cè)與殘余應(yīng)力分析技術(shù)

高 玉 魁

北京航空材料研究院高級(jí)工程師,北京81信箱5分箱  100095

丹麥科技大學(xué)可持續(xù)能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家,羅斯基迾,丹麥

摘要  齒輪在航空航天、石油機(jī)械、冶金化工等行業(yè)起著動(dòng)力傳遞的重要作用，隨著應(yīng)用環(huán)境和使用條件的苛刻要求，對(duì)其質(zhì)量可靠性和耐久性的要求也越來(lái)越高，因此齒輪表面完整性的檢測(cè)分析顯得更為重要和迫切。本文在闡述表面完整性的概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外最新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并評(píng)價(jià)了殘余應(yīng)力在壽命分析與剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)中的重要作用。

關(guān)鍵詞  齒輪；表面完整性；無(wú)損檢測(cè)；殘余應(yīng)力

一 引言

齒輪為動(dòng)力傳動(dòng)與能量輸出的關(guān)鍵零件，經(jīng)常承受交變的應(yīng)力、溫度變化等載荷作用，而且在服役過(guò)程中還需要考慮環(huán)境的影響，因此為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)分析齒輪零件的承載能力和使用壽命，需要測(cè)定分析其表面狀態(tài)和對(duì)表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑磁c強(qiáng)化，以改善其表面完整性和提高其質(zhì)量安全可靠性。

齒輪表面完整性的檢測(cè)分析技術(shù)近年來(lái)發(fā)展非常迅速，尤其是國(guó)外在新技術(shù)發(fā)展的同時(shí)研制了很多新的檢測(cè)設(shè)備與建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，這些發(fā)展對(duì)推動(dòng)其在齒輪上的應(yīng)用起著重要作用。本文旨在闡述表面完整性概念與內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹齒輪表面完整性的檢測(cè)技術(shù)，一方面以提高齒輪的表面質(zhì)量和耐久性，延長(zhǎng)其使用壽命和提供其可靠性，另一方面以推動(dòng)齒輪表面完整性檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，完善無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和建立相應(yīng)的質(zhì)量體系。

二 齒輪表面完整性的概念與內(nèi)涵

    表面完整性是在表面質(zhì)量、表面狀態(tài)觀念的基礎(chǔ)上為確保疲勞使用壽命和耐久性應(yīng)用性能而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)術(shù)語(yǔ)，指的是材料或構(gòu)件無(wú)損傷或經(jīng)強(qiáng)化的表面性能。從其概念可推出其內(nèi)涵包括了以下幾個(gè)重要方面^[1-5]：

1）完整的幾何形狀與包絡(luò)層----加工紋路、波度、粗糙度等；

2）組織結(jié)構(gòu)的改善----晶粒細(xì)化、位錯(cuò)的組態(tài)、形變組織、相變組織等；

3）表層改性----形變強(qiáng)化、加工硬化、熱處理、化學(xué)熱處理、復(fù)合強(qiáng)化等；

4）力學(xué)與物理化學(xué)性能----殘余應(yīng)力、顯微硬度、電化學(xué)、電極電勢(shì)、腐蝕速率與電流等。

圖1示意出了由噴丸而引起的齒輪表面完整性變化情況與工程應(yīng)用潛力。

圖1 噴丸強(qiáng)化引起的表面完整性變化^[1]

三 齒輪表面完整性的無(wú)損檢測(cè)方法

   （1）表面燒傷的檢查

在機(jī)械類產(chǎn)品中，很多重要零部件如齒輪、軸承、曲軸、凸輪軸、活塞銷和萬(wàn)向節(jié)等，需要經(jīng)過(guò)磨削加工。 磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)入零件的表面，容易引起金相組織的變化。在工藝參數(shù)、冷卻方法和磨料狀態(tài)選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，工件在磨削過(guò)程中極易出現(xiàn)金相組織變化層（即回火層），造成表面軟點(diǎn)，或伴隨出現(xiàn)表面殘余拉應(yīng)力，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，這就是所謂的磨削燒傷問(wèn)題。對(duì)齒輪來(lái)說(shuō), 局部的表面燒傷將使該處硬度下降，產(chǎn)生拉應(yīng)力，降低了疲勞強(qiáng)度，裂紋容易萌生，從而造成齒輪表面的早期失效^[6]。

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)工件表面磨削燒傷的檢驗(yàn)，除了最簡(jiǎn)單的目測(cè)法外，就是采用已延續(xù)多年的傳統(tǒng)方法——酸洗法。該方法雖然簡(jiǎn)單易行，但有著很大的局限性。”BNA巴克豪森法” 是一種檢查零部件表面磨削燒傷的新方法，它能有效地對(duì)磨削燒傷進(jìn)行測(cè)試^[7]。

齒輪表面燒傷將使產(chǎn)品性能和壽命大幅度地下降，甚至根本不能使用，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。為此，生產(chǎn)企業(yè)一方面通過(guò)執(zhí)行正確、科學(xué)的工藝規(guī)范，減輕和避免出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象；另一方面，也必須加強(qiáng)對(duì)零部件的檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格零件，并判斷正在進(jìn)行的磨削工藝的狀況。

磨削燒傷是一種微觀缺陷，不同于裂紋、夾渣、孔隙等傳統(tǒng)意義上的宏觀缺陷，采用普通的探傷、超聲波、渦流、磁粉等探傷手段無(wú)法檢測(cè)到。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)齒輪表面磨削燒傷的檢驗(yàn)，除了最簡(jiǎn)單的目測(cè)法外，就是采用已延續(xù)多年的傳統(tǒng)方法——酸洗法，即在被檢零部件表面涂上酸液或?qū)⑵浣胧⒂邪匆?guī)定配制的酸液槽中。把工件取出后，根據(jù)表面呈現(xiàn)的不同顏色，對(duì)磨削燒傷的程度做出相應(yīng)的判斷。一般地說(shuō)，若色澤沒(méi)有變化，就表明情況正常；而當(dāng)顏色變成灰色（見(jiàn)圖2），則說(shuō)明已有燒傷情況存在，隨著色澤變得越來(lái)越深，表示齒輪表面因溫度更高，引起的磨削燒傷更為嚴(yán)重。

           圖2  酸洗后的磨削燒傷

這種傳統(tǒng)的檢查方法雖然簡(jiǎn)單易行，但有著很大的局限性，如：齒輪表面經(jīng)酸液浸蝕，由于氫脆等原因即使無(wú)問(wèn)題也無(wú)法再使用，所以是一種破壞性檢查。并且，酸洗法本質(zhì)上屬于定性檢查，難以對(duì)磨損燒傷程度做出定量的說(shuō)明。因此，在采取傳統(tǒng)方法時(shí)，只能采用抽檢的方式，且樣本很小，欲對(duì)所執(zhí)行的工藝過(guò)程做出較確切的評(píng)價(jià)并予以改進(jìn)是很困難的。 理論表明，酸洗法檢驗(yàn)只能反映因金相組織結(jié)構(gòu)變化引起的齒輪表面硬度下降，而工件表面存在的殘余應(yīng)力則無(wú)法反映，故在全面揭示磨削燒傷的程度上顯得不足。

另外，由于使用了酸液，企業(yè)增加了消除環(huán)境污染的負(fù)擔(dān)；傳統(tǒng)檢查方法的規(guī)范化可靠性水平較低，更難以制定可操作性強(qiáng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

近年來(lái)，利用巴克豪森（又稱BNA法、磁彈法）研制的測(cè)試儀器已在零部件表面磨削燒傷檢測(cè)中逐步得到應(yīng)用，并充分顯現(xiàn)出優(yōu)越性。磁彈法是以1919年發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)Barkhausen 效應(yīng)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的一種測(cè)試方法，能有效地對(duì)磨削燒傷進(jìn)行測(cè)試。

眾所周知，出現(xiàn)磨削燒傷的那些零部件，主要由鐵磁性材料制成，在正常情況下，其磁序（體現(xiàn)在多晶體的磁疇結(jié)構(gòu)里）呈有規(guī)則的排列，但在磨削燒傷后產(chǎn)生的金相組織變化及可能出現(xiàn)的殘余應(yīng)力都將引起磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁序變化。Barkhausen效應(yīng)指出，矯頑（磁）力，即改變被顛倒極性所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度，是與鐵磁性材料晶格結(jié)構(gòu)錯(cuò)位和殘余應(yīng)力等的程度有關(guān)的。利用BNA法探測(cè)被檢零部件表面磨削燒傷的機(jī)理就在于此。

磨削燒傷的物理表現(xiàn)主要是因表面金相組織結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的回火層所引起的硬度下降，以及在表面出現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力，檢測(cè)儀器對(duì)它們都能做出敏感的反映，見(jiàn)圖3所示。圖3a中的橫坐標(biāo)表示硬度值Rc，而縱坐標(biāo)表示輸出的B信號(hào)幅值。隨著被檢工件表面硬度值Rc由高向低變化，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)的B信號(hào)幅值將由小到大，即硬度低對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)高，硬度高對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)低。儀器對(duì)表面殘余應(yīng)力的反應(yīng)見(jiàn)圖3b，從中可見(jiàn)當(dāng)殘余應(yīng)力由小到大，即由負(fù)（壓應(yīng)力）向正（拉應(yīng)力）變化時(shí)，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)的B信號(hào)幅值A(chǔ)mplitude將由低向高變化。

圖3 檢測(cè)信號(hào)與硬度、殘余應(yīng)力關(guān)系的示意圖

上述由儀器特殊設(shè)計(jì)的激磁電路和傳感裝置產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，乃是Barkhausen磁彈效應(yīng)的一種量化表達(dá)，以特征值mp（magnetoelastic parameter）標(biāo)志。mp與被檢測(cè)工件表面的變異狀態(tài)成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。但利用mp來(lái)反映工件磨削燒傷的程度從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種比較測(cè)量的方式，為了能夠真正地對(duì)其做準(zhǔn)確的定量描述，還必須解決“定標(biāo)”的問(wèn)題。
    定標(biāo)包括二項(xiàng)內(nèi)容：1)確定不合格品界限。有目的地制作一批樣品，其中包括有一些磨削燒傷程度不同的工件，利用酸洗法按用戶的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它們做出不同的判斷后，將介于合格/不合格臨界狀態(tài)的若干工件通過(guò)儀器求得相應(yīng)的mp值，然后取其平均值作為不合格的界限。2)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)就是找出特征值mp與采用酸洗法確認(rèn)的磨削燒傷程度之間的相關(guān)性。在汽車行業(yè)中，不少場(chǎng)合都可以采用這種以BNA法為基礎(chǔ)研制的磨削燒傷測(cè)試儀器，其中，對(duì)齒輪零部件的檢測(cè)是應(yīng)用最多的，具有手動(dòng)、半自動(dòng)和機(jī)器人全自動(dòng)三種類型的檢測(cè)設(shè)備，分別見(jiàn)圖4、圖5和圖6。

圖4 手動(dòng)檢測(cè)齒輪磨削燒傷

   圖5 半自動(dòng)齒輪磨削燒傷測(cè)試儀

圖6 機(jī)器人全自動(dòng)齒輪磨削燒傷檢測(cè)系統(tǒng)

（2）表面粗糙度的檢查

   無(wú)論是機(jī)械加工還是表面強(qiáng)化，對(duì)表面狀態(tài)都有很大的改變，其中表面粗糙度是比較重要的工藝控制參數(shù)，一方面是因?yàn)榇植诙扔绊懫谛阅埽硪环矫媸谴植诙冗€影響潤(rùn)滑和接觸應(yīng)力以及磨損等使用性能，因此需要控制齒輪機(jī)械加工和表面強(qiáng)化的表面粗糙度。表面粗糙度的檢測(cè)多在實(shí)驗(yàn)室采用輪廓儀來(lái)進(jìn)行測(cè)定，目前也有很多便攜手提式的粗糙度檢測(cè)儀，非常方便在工程上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，而且精度也多數(shù)能夠使用要求。

（3）殘余應(yīng)力的檢查

   殘余應(yīng)力是影響齒輪使用性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，測(cè)定殘余應(yīng)力的方法很多，但在工程上應(yīng)用最普遍精度較高的方法是X射線衍射和中子衍射應(yīng)力分析技術(shù)^[8,9]，而且該技術(shù)已被國(guó)際認(rèn)可和具有國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保測(cè)定的精度。測(cè)定設(shè)備和配套儀器都比較完善，如圖7所示的設(shè)備已在國(guó)外齒輪行業(yè)被用來(lái)測(cè)定齒輪根部的殘余應(yīng)力。

圖7  齒輪根部殘余應(yīng)力的測(cè)定

    殘余應(yīng)力的測(cè)試已由有損的鉆孔法發(fā)展到無(wú)損的衍射分析，并在德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)以及瑞典等國(guó)家得到推廣應(yīng)用，目前這些國(guó)家都具備了齒輪的殘余應(yīng)力場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)與設(shè)備----中子衍射分析技術(shù)與中子散射儀。殘余應(yīng)力場(chǎng)的定量測(cè)定技術(shù)與分析是齒輪零件壽命分析與剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是延長(zhǎng)其使用壽命和提供其可靠性的關(guān)鍵^[10,11]。

（4）表層硬度分布的檢查

   齒輪的表層硬度對(duì)于其彎曲疲勞和接觸疲勞性能都具有重要影響，如何準(zhǔn)確精確測(cè)定表層的硬度與其梯度發(fā)布是材料學(xué)科研究和齒輪工程應(yīng)用都必須解決的問(wèn)題。硬度的測(cè)定有很多方法，但工程中常用的是顯微硬度的測(cè)定方法，如維氏和洛氏硬度，必要時(shí)也采用納米壓痕方法來(lái)研究表層局部的硬度特性尤其是脫碳層和白亮層的硬度分布梯度。

四 結(jié)束語(yǔ)

齒輪是動(dòng)力傳遞的重要零部件，進(jìn)一步開(kāi)展齒輪領(lǐng)域的最新無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究，建立其檢測(cè)新方法標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)齒輪領(lǐng)域的檢測(cè)科技創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研究結(jié)合具有重要作用，期望國(guó)內(nèi)同行能夠共同努力，為提升我國(guó)齒輪高新產(chǎn)品質(zhì)量和創(chuàng)造國(guó)家國(guó)際品牌做出貢獻(xiàn)。

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