XRD對噴丸齒輪的質(zhì)量控制

　　噴丸處理的典型結(jié)果是一個容易識別的u形曲線。噴丸引起的殘余應(yīng)力深度剖面有幾個共同特征，由于過度的冷加工和塑性變形，表面應(yīng)力的壓應(yīng)力總是小于作用在表面下面的材料上的應(yīng)力。剖面在某個特定深度達(dá)到最大壓縮，然后增加直到穿過中性軸。這一點(diǎn)表示壓應(yīng)力深度。這些特征(強(qiáng)度、深度、梯度等)的任何微小變化都可能對零件的壽命產(chǎn)生顯著影響。

　　噴丸強(qiáng)化工藝采用傳統(tǒng)方法建立和控制，采用阿爾門強(qiáng)度。阿爾門試片是在一側(cè)噴丸過程中發(fā)生變形的特殊金屬件。通過對噴丸高度變形或拱高的測量，得出了噴丸強(qiáng)度和覆蓋率的關(guān)系。這種方法被廣泛使用，并且可以使用特定的標(biāo)準(zhǔn)。但是，這種方法有幾個限制。阿爾門強(qiáng)度本質(zhì)上是一種測量的是下部(或上部)的應(yīng)力剖面曲線。

　　因此，等效的阿爾門強(qiáng)度可以從產(chǎn)生明顯不同的應(yīng)力與深度剖面的兩種噴丸過程中得到：如圖3所示的兩種噴丸噴丸剖面。對于已將應(yīng)力剖面特征確定為零件性能的關(guān)鍵測量指標(biāo)的制造商，如表面應(yīng)力、最大壓縮或最大壓縮深度，需要更有能力的檢測。XRD殘余應(yīng)力深度剖面提供了必要的信息。

圖3 鋼構(gòu)件中常見工藝的殘余應(yīng)力深度剖面示例

　　例如，一個齒輪制造商可以通過確定他們的噴丸過程導(dǎo)致早期疲勞失效的幾個產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)的變化，設(shè)計他們的產(chǎn)品參數(shù)。通過隨后的審查和開發(fā)，他們確定了滿足幾種齒輪類型的預(yù)期零件壽命周期所需的壓縮殘余應(yīng)力-深度剖面的具體要求。這些極限和公差是通過建模、XRD驗(yàn)證和疲勞測試確定的。

圖4噴丸引起的殘余應(yīng)力深度剖面特征。

　　接下來，他們實(shí)施了XRD殘余應(yīng)力檢查，以驗(yàn)證這些新建立的標(biāo)準(zhǔn)在制造過程中是否符合。下面的步驟和圖5解釋了集成的檢查過程。

　　1. 對樣本的深度和測量制定標(biāo)準(zhǔn)

　　2. 對齊樣品和參考深度計

　　3. 在暴露的齒輪表面測量徑向(齒根到齒頂)應(yīng)力

　　4. 用電化學(xué)方法去除材料到D₁的深度，

　　5. 測量徑向應(yīng)力

　　6. 用電化學(xué)方法去除材料到D₂的深度。

　　7. 測量徑向應(yīng)力

　　8. 打印報告，顯示通過/失敗的決定，繼續(xù)進(jìn)行。

圖5

　　其中D_1,2為測得的每一種齒輪的具體深度，為在各具體深度深度徑向測量的殘余應(yīng)力。在這種情況下，每個測量深度的公差為±0.005 mm。使用預(yù)先編程的電解拋光參數(shù)(時間、流量、電壓等)相對輕松地滿足了這種精度，這些參數(shù)是為每種齒輪類型和所需的深度定制的。深度公差提供了對必要的控制水平的實(shí)施/執(zhí)行。

圖6 商業(yè)離線XRD檢測站

　　檢查是使用一個定制的解決方案完成的，如圖6所示，結(jié)合了安全外殼樣品，和集成的電子拋光站。每個噴丸批次測試一個零件，過程的持續(xù)時間(上面的步驟1-8)大約需要40分鐘，根據(jù)被測試齒輪的尺寸，切片時間為10分鐘以上。被測試的齒輪的部分被分割，幾何形狀和尺寸要求，以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)入和衍射X射線。部分特定的測量程序(傾斜角度，曝光時間等)，并對電解拋光參數(shù)進(jìn)行了預(yù)編程，使第3-8步接近10個小時。同時結(jié)合直接的通過/不通過驗(yàn)收限制，允許非技術(shù)操作人員進(jìn)行測量，而不需要分析衍射模式或評估所測殘余應(yīng)力深度剖面的特征。

　　通過這種特殊的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了XRD在建立和控制殘余應(yīng)力的能力。此外，它說明了技術(shù)的演變，從以前的時間和技能密集型技術(shù)，現(xiàn)在可以利用一個的高精度質(zhì)量控制與合理的低投入的時間，成本和努力制造環(huán)境。

　　附加應(yīng)用

　　雖然XRD很適合表征普通鋼中的應(yīng)力，但它可以用于精確測量幾乎任何晶體材料的近表面應(yīng)力。應(yīng)用場所是巨大的，并且在復(fù)雜性和廣度上不斷增加。在增材制造(AM)這一越來越受歡迎的行業(yè)中，有必要解釋一下，XRD能夠測量大多數(shù)金屬添加劑組分的殘余應(yīng)力，就像測量大多數(shù)傳統(tǒng)制造的金屬零件一樣。這包括定向能沉積和粉末聚變等過程。

　　在這些情況下，與大多數(shù)AM過程一樣，每個零件都是通過逐層熔融建立起來的。由此產(chǎn)生的循環(huán)熱載荷和溫度梯度可以導(dǎo)致相對高的殘余應(yīng)力。這是常見的，這些應(yīng)力導(dǎo)致翹曲，裂縫或分離。結(jié)果，特別是隨著越來越多的結(jié)構(gòu)性AM部件被用于航空航天、自動機(jī)械和醫(yī)療器械行業(yè)，對AM中殘余應(yīng)力形成的全面認(rèn)識已經(jīng)非常重要。

　　影響AM零件殘余應(yīng)力的因素很多，這是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。在某些應(yīng)用中，不利應(yīng)力可通過工藝后熱處理和/或表面處理(如噴丸)來補(bǔ)救。一些人正在研究現(xiàn)場控制，而另一些人則通過建模來尋找優(yōu)化構(gòu)建參數(shù)。

　　無論如何，驗(yàn)證是必要的，在AM部件中測量殘余應(yīng)力最廣泛使用的技術(shù)是X射線和中子衍射，后者可用于三維殘余應(yīng)力的體積分析;然而，這種方法受到所需的儀器設(shè)備(即核反應(yīng)堆)的嚴(yán)重限制。而x射線衍射能力稍弱通過商業(yè)設(shè)備供應(yīng)商或認(rèn)可的服務(wù)測量供應(yīng)商，可以隨時獲得儀器和測量服務(wù)。

　　下面提供了一個，XRD殘余應(yīng)力測量的AM模型驗(yàn)證簡單的例子。匹茲堡大學(xué)的研究人員旨在開發(fā)一種替代方法來確定已制造的鉻鎳鐵合金718樣品的J因子，作為標(biāo)準(zhǔn)測試方法，由于各種原因，并不實(shí)際適用于通過激光粉末熔合制造的零件。

圖7

　　他們修正的方法需要創(chuàng)建一個殘余應(yīng)力模擬和隨后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的模型。樣品使用特定的參數(shù)，總共選擇了17個位置進(jìn)行XRD殘余應(yīng)力測量,這些測量包括表面應(yīng)力和應(yīng)力深度剖面。

　　圖5a顯示了指定的位置，圖5b顯示了測量過程中的樣品。表一給出了預(yù)測和實(shí)測的主應(yīng)力。在這種情況下，結(jié)果令人滿意的，并提供了必要的證據(jù)繼續(xù)他們的模擬方法來確定附加部分的斷裂特征。

　　總結(jié)

　　殘余應(yīng)力在現(xiàn)代制造業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。精心設(shè)計的表面應(yīng)力剖面可以在不同的部件中產(chǎn)生顯著的性能優(yōu)勢。另外，不可知的有害殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致負(fù)載能力下降，部件壽命降低和災(zāi)難性故障。XRD是一種準(zhǔn)確可靠的殘余應(yīng)力測量方法，無論是驗(yàn)證數(shù)值模擬還是驗(yàn)證在線生產(chǎn)過程，XRD殘余應(yīng)力測量都是必不可少的。技術(shù)的進(jìn)步和商業(yè)上可用的硬件，以及公認(rèn)的測量服務(wù)供應(yīng)商，使得XRD無論在什么應(yīng)用場合都可以使用和負(fù)擔(dān)得起。