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

　　噴丸驗證

　　噴丸強化是齒輪制造中用于增加壓縮應力量并因此增加齒輪的疲勞壽命的常用工藝。噴丸強化通常應用于根部區(qū)域，包括用硬“噴丸”對部件表面進行噴丸處理(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 - 噴丸強化涉及用硬“噴丸”對部件表面進行噴砂處理。

圖 2 -噴丸處理會產生一層薄薄的壓縮殘余應力。

　　這個過程的結果是從表面到通常幾百微米深的某個深度產生一層壓縮應力(圖 3)。

圖 3 - 噴丸處理產生的壓縮殘余應力可能有幾百微米深。

　　有多種方法可以驗證噴丸工藝，包括阿爾門試紙測試、視覺分析(包括使用示蹤染料)和直接測量誘導應力。正是后一種方法，即誘導應力的測量，提供了唯一真正的客觀測量，可以與設計和建模階段的預期值進行比較。測量應力的最佳和最標準化的方法是 X 射線衍射 (XRD)。

　　殘余應力的 XRD 不是一種新方法，也不是人們關注的方法。它是一種定量的、標準化的方法，沒有真正的同類方法，尤其是在非破壞性測量時(測量地下應力需要去除層)。XRD 方法有一些局限性，因為它可能昂貴、耗時和/或需要昂貴的樣品制備。測量可能需要幾分鐘到幾小時，具體取決于光斑大小和使用的設備。然而，技術的代際飛躍已經改變了這一點，現(xiàn)在可以在幾秒鐘內完成測量。

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

圖 4—Stresstech Xstress DR₄₅ 系統(tǒng)。

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

圖 5——使用 2D 檢測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 采用的二維檢測方法還結合了二維檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢，例如緩解紋理或大晶粒等困難衍射條件，以及高質量和值得信賴的結果。 sin2ψ 方法。除此之外，速度的多個數(shù)量級提高允許一些真正改變游戲規(guī)則的能力：連續(xù)運動測量(或掃描模式)。

　　使用久經考驗的 sin2ψ 方法的衍射系統(tǒng)始終遵循標準操作順序(或標準模式，如圖 6 所示)： 1，將 X 射線入射光束和探測器移動到位置;2、對樣品進行入射X射線照射，用探測器采集衍射數(shù)據(jù);3、根據(jù)需要重復1-2，以滿足EN15305等測量規(guī)范。除了使用不符合國際公認標準的方法的系統(tǒng)外，這種類型的測量序列是幾乎所有衍射儀的標準。

圖 6 - 標準模式 X 射線衍射系統(tǒng)使用耗時的單個掃描序列。

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

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

　　結果是總測量速度比 Xstress DR45 提供的已經很快的標準模式速度有了很大提高。直徑為 1 mm 或更大的點的測量在 5 秒內完成?？稍诙潭?20 秒內對直徑小于 0.5 毫米的點進行測量。這些速度開啟了對齒輪齒或齒根進行噴丸驗證的可能性，其速度足以跟上大批量環(huán)境中的生產。

　　磨削燒傷檢測

　　磨削是齒輪制造中的關鍵步驟，它經常向制造商提出一個關鍵問題：在不產生磨削燒傷的情況下，我可以磨削多快?更快的循環(huán)時間總是需要的，但更大的進給、輪速等會導致更多的能量或熱量沉積到工件中(圖 8)。

圖 8 - 激進的進給和速度會導致磨削燒傷。

　　當工件在磨削過程中產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，對受影響的表面進行重新熱處理時，就會發(fā)生磨削燒傷。這種局部熱事件的結果是微觀結構的轉變，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構(例如回火馬氏體)轉變?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。轉變后的微結構具有不同的密度，但被擠入先前由所需微結構占據(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)為材料中的殘余應力。

　　檢測磨削燒傷的傳統(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物質，包括 Nital(硝酸和酒精)和鹽酸。該工藝利用了差異溶解，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。結果是在理想的回火馬氏體微觀結構與由磨削燒傷產生的不理想的過度回火或未回火之間存在一些視覺對比。

　　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：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性的化學品，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，因為蝕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限制是它對應力不敏感——它的作用機制是揭示轉變的微觀結構。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行部分清理，Nital 蝕刻工藝在顯示部分清理的轉變產物方面可能無效。盡管轉化層的部分清理，地下拉伸應力通常仍然存在。這種“隱藏”的燒傷使組件容易出現(xiàn)早期故障。通過磨削引起的應力通常在表面以下 20-50 微米處達到峰值。在磨削過程中部分清理磨削燒傷的情況下，通常會保留一個表面下的拉伸峰值(圖 9)。

圖 9——Nital 蝕刻有時會遺漏某些形式的磨削燒傷。

　　檢測磨削燒傷的另一種方法是磁巴克豪森噪聲 (MBN)。這是一種可重復的、客觀的非破壞性測量(圖 10)。此外，MBN 對測量體積中的應力和微觀結構都很敏感，因此非常適合在部分清理的情況下檢測磨削燒傷。

圖 10 - 磁性巴克豪森噪聲分析是檢測磨削燒傷的替代方法。

　　Stresstech 的 Rollscan Barkhausen 噪聲分析儀接收 MBN 信號并將其減少到實時測量的單個數(shù)字。這允許用戶手動或通過自動化在表面上遍歷 MBN 傳感器，并獲得實時測量甚至表面圖。

　　自動化系統(tǒng)的編程方式與分析齒輪檢查器相同，能夠利用Stresstech 的EasyGear 軟件將側面的表面映射到應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、外徑和內徑，都可以用 MBN 儀器測量(圖 12)。

圖 11—Stresstech EasyGear 軟件，用于自動齒輪測試的編程。

圖—12 MBN 儀器可以測量齒輪齒面、齒根、面、外徑和內徑。

　　根據(jù)要檢查的表面的幾何形狀，有時需要定制傳感器。例如，齒輪側面和齒輪根部通常使用專用傳感器進行測量，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，具體取決于要測量的表面。

　　在更復雜的幾何形狀(例如準雙曲面齒輪)的情況下，使用自定義傳感器，并沿逐點生成的復雜曲線生成傳感器運動路徑(圖 14)。

　　圖 14——復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控制來適應。

　　測量序列的結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 信號會增加(參見圖 15 中的紅線)。

圖 15 - 在此圖表中，紅線表示 MBN 信號增加，表示存在磨削燒傷。

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

圖 16 每個側面的多次掃描或通過可以組合成一個表面圖。

　　通過將相對 MBN 值與 XRD 等定量方法進行比較，可以將 MBN 值與上下文相關聯(lián)，并制定適當?shù)木芙^/接受標準。制定拒絕標準的最常用方法是將 MBN 值與通過 XRD 測量的最大地下應力進行比較，類似于 SAE ARP4462b 中的推薦做法。這種比較允許用戶選擇對應于地下拉伸應力的 MBN 值限制，或根據(jù)應用和被測組件的設計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)簡單的拒絕/接受標準顯示，以便于評估。

　　結論

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

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