齒輪制造涉及許多有意或無(wú)意影響關(guān)鍵表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的過程。應(yīng)力，包括來(lái)自加工的殘余應(yīng)力，是可交換的，壓縮應(yīng)力通常會(huì)提高疲勞壽命和裂紋萌生，而拉伸應(yīng)力則相反。因此，齒輪設(shè)計(jì)者和制造商通常需要在關(guān)鍵幾何形狀(例如輪齒和齒根)的表面處施加殘余壓縮應(yīng)力。

　　噴丸驗(yàn)證

　　噴丸強(qiáng)化是齒輪制造中用于增加壓縮應(yīng)力量并因此增加齒輪的疲勞壽命的常用工藝。噴丸強(qiáng)化通常應(yīng)用于根部區(qū)域，包括用硬“噴丸”對(duì)部件表面進(jìn)行噴丸處理(圖 1)。組件的薄層變形和壓縮，而核心或深層地下體積抵抗這種壓縮(圖 2)。

圖 1 - 噴丸強(qiáng)化涉及用硬“噴丸”對(duì)部件表面進(jìn)行噴砂處理。

圖 2 -噴丸處理會(huì)產(chǎn)生一層薄薄的壓縮殘余應(yīng)力。

　　這個(gè)過程的結(jié)果是從表面到通常幾百微米深的某個(gè)深度產(chǎn)生一層壓縮應(yīng)力(圖 3)。

圖 3 - 噴丸處理產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力可能有幾百微米深。

　　有多種方法可以驗(yàn)證噴丸工藝，包括阿爾門試紙測(cè)試、視覺分析(包括使用示蹤染料)和直接測(cè)量誘導(dǎo)應(yīng)力。正是后一種方法，即誘導(dǎo)應(yīng)力的測(cè)量，提供了唯一真正的客觀測(cè)量，可以與設(shè)計(jì)和建模階段的預(yù)期值進(jìn)行比較。測(cè)量應(yīng)力的最佳和最標(biāo)準(zhǔn)化的方法是 X 射線衍射 (XRD)。

　　殘余應(yīng)力的 XRD 不是一種新方法，也不是人們關(guān)注的方法。它是一種定量的、標(biāo)準(zhǔn)化的方法，沒有真正的同類方法，尤其是在非破壞性測(cè)量時(shí)(測(cè)量地下應(yīng)力需要去除層)。XRD 方法有一些局限性，因?yàn)樗赡馨嘿F、耗時(shí)和/或需要昂貴的樣品制備。測(cè)量可能需要幾分鐘到幾小時(shí)，具體取決于光斑大小和使用的設(shè)備。然而，技術(shù)的代際飛躍已經(jīng)改變了這一點(diǎn)，現(xiàn)在可以在幾秒鐘內(nèi)完成測(cè)量。

　　Stresstech Xstress DR45 系統(tǒng)(圖 4)采用最先進(jìn)的檢測(cè)器技術(shù)，足夠靈敏，可以使以前緩慢的測(cè)量變得快如閃電，或者以前困難的測(cè)量變得容易。DR₄₅ 使用高靈敏度 2D 探測(cè)器，測(cè)量速度非?？?，甚至無(wú)需停止移動(dòng)即可收集衍射數(shù)據(jù)。

圖 4—Stresstech Xstress DR₄₅ 系統(tǒng)。

　　為測(cè)量殘余應(yīng)力而定制的傳統(tǒng)衍射儀，包括 Stresstech 之前的產(chǎn)品，通常使用一維探測(cè)器。使用具有更高靈敏度的更現(xiàn)代的 2D 檢測(cè)器可以在相同的時(shí)間內(nèi)收集更多的衍射數(shù)據(jù)，高達(dá) 100 倍。2D Debye-Scherrer 環(huán)的截面被整合到 1D 強(qiáng)度光譜中，用于應(yīng)變測(cè)定(圖 5)。

圖 5——使用 2D 檢測(cè)器可以收集更多的衍射數(shù)據(jù)。

　　除了提高系統(tǒng)的靈敏度和速度外，Xstress DR45 采用的二維檢測(cè)方法還結(jié)合了二維檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，例如緩解紋理或大晶粒等困難衍射條件，以及高質(zhì)量和值得信賴的結(jié)果。 sin2ψ 方法。除此之外，速度的多個(gè)數(shù)量級(jí)提高允許一些真正改變游戲規(guī)則的能力：連續(xù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量(或掃描模式)。

　　使用久經(jīng)考驗(yàn)的 sin2ψ 方法的衍射系統(tǒng)始終遵循標(biāo)準(zhǔn)操作順序(或標(biāo)準(zhǔn)模式，如圖 6 所示)： 1，將 X 射線入射光束和探測(cè)器移動(dòng)到位置;2、對(duì)樣品進(jìn)行入射X射線照射，用探測(cè)器采集衍射數(shù)據(jù);3、根據(jù)需要重復(fù)1-2，以滿足EN15305等測(cè)量規(guī)范。除了使用不符合國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的方法的系統(tǒng)外，這種類型的測(cè)量序列是幾乎所有衍射儀的標(biāo)準(zhǔn)。

圖 6 - 標(biāo)準(zhǔn)模式 X 射線衍射系統(tǒng)使用耗時(shí)的單個(gè)掃描序列。

　　Xstress DR45 上檢測(cè)系統(tǒng)的速度允許衍射儀在移動(dòng)時(shí)收集“快照”，就像視頻幀一樣(圖 7)。

圖 7—Xstress DR45 能夠連續(xù)掃描，大大提高了檢測(cè)速度。

　　結(jié)果是總測(cè)量速度比 Xstress DR45 提供的已經(jīng)很快的標(biāo)準(zhǔn)模式速度有了很大提高。直徑為 1 mm 或更大的點(diǎn)的測(cè)量在 5 秒內(nèi)完成?？稍诙潭?20 秒內(nèi)對(duì)直徑小于 0.5 毫米的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。這些速度開啟了對(duì)齒輪齒或齒根進(jìn)行噴丸驗(yàn)證的可能性，其速度足以跟上大批量環(huán)境中的生產(chǎn)。

　　磨削燒傷檢測(cè)

　　磨削是齒輪制造中的關(guān)鍵步驟，它經(jīng)常向制造商提出一個(gè)關(guān)鍵問題：在不產(chǎn)生磨削燒傷的情況下，我可以磨削多快?更快的循環(huán)時(shí)間總是需要的，但更大的進(jìn)給、輪速等會(huì)導(dǎo)致更多的能量或熱量沉積到工件中(圖 8)。

圖 8 - 激進(jìn)的進(jìn)給和速度會(huì)導(dǎo)致磨削燒傷。

　　當(dāng)工件在磨削過程中產(chǎn)生的熱量大到足以作為回火過程，或者在更高溫度的情況下，對(duì)受影響的表面進(jìn)行重新熱處理時(shí)，就會(huì)發(fā)生磨削燒傷。這種局部熱事件的結(jié)果是微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，與熱處理過程中發(fā)生的情況非常相似。受影響的材料體積從理想的微觀結(jié)構(gòu)(例如回火馬氏體)轉(zhuǎn)變?yōu)椴焕硐氲倪^度回火馬氏體(或較軟的鐵素體等)和未回火馬氏體的混合物。轉(zhuǎn)變后的微結(jié)構(gòu)具有不同的密度，但被擠入先前由所需微結(jié)構(gòu)占據(jù)的相同空間中，然后必須被壓縮和/或拉開以適合。這種壓縮或拉伸表現(xiàn)為材料中的殘余應(yīng)力。

　　檢測(cè)磨削燒傷的傳統(tǒng)方法是硝酸乙醇蝕刻工藝。Nital 蝕刻涉及將材料表面暴露于不同的化學(xué)物質(zhì)，包括 Nital(硝酸和酒精)和鹽酸。該工藝?yán)昧瞬町惾芙?，其中硝酸乙醇混合物以不同的方式攻擊鐵素體、滲碳體等相。結(jié)果是在理想的回火馬氏體微觀結(jié)構(gòu)與由磨削燒傷產(chǎn)生的不理想的過度回火或未回火之間存在一些視覺對(duì)比。

　　雖然它是一種使用了數(shù)十年的傳統(tǒng)方法，但 Nital 蝕刻工藝有一些缺點(diǎn)：它是主觀的，需要從業(yè)者解釋文字的灰色陰影;它需要使用可能具有危險(xiǎn)性的化學(xué)品，通常具有非平凡的處理和處置要求;在大多數(shù)情況下，它具有破壞性，因?yàn)槲g刻表面可能不適合在使用中使用。Nital 蝕刻工藝固有的另一個(gè)限制是它對(duì)應(yīng)力不敏感——它的作用機(jī)制是揭示轉(zhuǎn)變的微觀結(jié)構(gòu)。在粗加工過程中發(fā)生磨削燒傷的情況下，僅通過精加工過程進(jìn)行部分清理，Nital 蝕刻工藝在顯示部分清理的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物方面可能無(wú)效。盡管轉(zhuǎn)化層的部分清理，地下拉伸應(yīng)力通常仍然存在。這種“隱藏”的燒傷使組件容易出現(xiàn)早期故障。通過磨削引起的應(yīng)力通常在表面以下 20-50 微米處達(dá)到峰值。在磨削過程中部分清理磨削燒傷的情況下，通常會(huì)保留一個(gè)表面下的拉伸峰值(圖 9)。

圖 9——Nital 蝕刻有時(shí)會(huì)遺漏某些形式的磨削燒傷。

　　檢測(cè)磨削燒傷的另一種方法是磁巴克豪森噪聲 (MBN)。這是一種可重復(fù)的、客觀的非破壞性測(cè)量(圖 10)。此外，MBN 對(duì)測(cè)量體積中的應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)都很敏感，因此非常適合在部分清理的情況下檢測(cè)磨削燒傷。

圖 10 - 磁性巴克豪森噪聲分析是檢測(cè)磨削燒傷的替代方法。

　　Stresstech 的 Rollscan Barkhausen 噪聲分析儀接收 MBN 信號(hào)并將其減少到實(shí)時(shí)測(cè)量的單個(gè)數(shù)字。這允許用戶手動(dòng)或通過自動(dòng)化在表面上遍歷 MBN 傳感器，并獲得實(shí)時(shí)測(cè)量甚至表面圖。

　　自動(dòng)化系統(tǒng)的編程方式與分析齒輪檢查器相同，能夠利用Stresstech 的EasyGear 軟件將側(cè)面的表面映射到應(yīng)用所需的空間分辨率水平(圖11)。齒輪齒面和齒根，以及各種其他表面，例如面、外徑和內(nèi)徑，都可以用 MBN 儀器測(cè)量(圖 12)。

圖 11—Stresstech EasyGear 軟件，用于自動(dòng)齒輪測(cè)試的編程。

圖—12 MBN 儀器可以測(cè)量齒輪齒面、齒根、面、外徑和內(nèi)徑。

　　根據(jù)要檢查的表面的幾何形狀，有時(shí)需要定制傳感器。例如，齒輪側(cè)面和齒輪根部通常使用專用傳感器進(jìn)行測(cè)量，這些傳感器有助于傳感器接觸感興趣的區(qū)域(圖 13)。

圖 13 - 可以使用定制傳感器，具體取決于要測(cè)量的表面。

　　在更復(fù)雜的幾何形狀(例如準(zhǔn)雙曲面齒輪)的情況下，使用自定義傳感器，并沿逐點(diǎn)生成的復(fù)雜曲線生成傳感器運(yùn)動(dòng)路徑(圖 14)。

　　圖 14——復(fù)雜的幾何形狀可以通過特殊的傳感器和傳感器路徑的逐點(diǎn)控制來(lái)適應(yīng)。

　　測(cè)量序列的結(jié)果是一系列掃描或繪圖，類似于分析齒輪檢查器的輸出。較低且更一致的測(cè)量值，基本上是平面掃描，通常出現(xiàn)在沒有磨傷的可接受部件中(參見圖 15 中的綠線)。在存在研磨燒傷的情況下，MBN 信號(hào)會(huì)增加(參見圖 15 中的紅線)。

圖 15 - 在此圖表中，紅線表示 MBN 信號(hào)增加，表示存在磨削燒傷。

　　以不同直徑執(zhí)行的每個(gè)側(cè)面的多次掃描或通過，可以組合成一個(gè)表面圖。這提供了 Nital-etch 用戶習(xí)慣于看到的視覺指示類型，并具有客觀、可重復(fù)值的額外好處(圖 16)。

圖 16 每個(gè)側(cè)面的多次掃描或通過可以組合成一個(gè)表面圖。

　　通過將相對(duì) MBN 值與 XRD 等定量方法進(jìn)行比較，可以將 MBN 值與上下文相關(guān)聯(lián)，并制定適當(dāng)?shù)木芙^/接受標(biāo)準(zhǔn)。制定拒絕標(biāo)準(zhǔn)的最常用方法是將 MBN 值與通過 XRD 測(cè)量的最大地下應(yīng)力進(jìn)行比較，類似于 SAE ARP4462b 中的推薦做法。這種比較允許用戶選擇對(duì)應(yīng)于地下拉伸應(yīng)力的 MBN 值限制，或根據(jù)應(yīng)用和被測(cè)組件的設(shè)計(jì)要求的一些其他限制(圖 17)。

圖 17 MBN 掃描的數(shù)據(jù)可以根據(jù)簡(jiǎn)單的拒絕/接受標(biāo)準(zhǔn)顯示，以便于評(píng)估。

　　結(jié)論

　　齒輪對(duì)許多傳統(tǒng)的破壞性和非破壞性測(cè)試方法提出了挑戰(zhàn)。在殘余應(yīng)力至關(guān)重要的情況下，如噴丸齒輪，通過 XRD 驗(yàn)證噴丸工藝可以足夠快地跟上您的生產(chǎn)。在使用 Xstress DR45 等最先進(jìn)的儀器時(shí)尤其如此。

　　幾乎所有精密應(yīng)用中的齒輪都有磨削齒面。有時(shí)它們也有地根。使用磁性巴克豪森噪聲可以實(shí)現(xiàn)以最大靈敏度和可重復(fù)性檢測(cè)這些表面上的磨削燒傷，同時(shí)避免代價(jià)高昂的廢料。此外，該方法可以完全自動(dòng)化，為過程控制提供可測(cè)量的反饋。