X射線測量殘余應(yīng)力在曲軸和連桿加工中的應(yīng)用

(天潤曲軸股份有限公司技術(shù)中心，威海 264413)

0 引言

曲軸、連桿等汽車零部件在加工過程中常采用表面感應(yīng)淬火、氣體氮化、圓角沉割槽滾壓、噴丸[1]等強(qiáng)化工藝以獲得較高的強(qiáng)度和使用壽命。強(qiáng)化后的零件表面一般都有較高的殘余壓應(yīng)力。目前，測量殘余應(yīng)力的主要方法有鉆孔法、分割切條釋放法、逐層銑削法、X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法和電子散斑干涉法[2]。其中，X射線衍射法測量殘余應(yīng)力具有靈敏度和可靠性高、適用范圍廣、樣件無損、可以確定應(yīng)力方向等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，其主要依據(jù)為彈性力學(xué)理論和X射線衍射理論[3]。本文結(jié)合試驗(yàn)測試，論述了X射線衍射儀在曲軸、連桿殘余應(yīng)力檢測方面的應(yīng)用，以推廣X射線測量殘余應(yīng)力法，使其得到廣泛的應(yīng)用。

1 檢測原理

X射線衍射主要角度幾何關(guān)系如圖1所示。目前的測量方法主要有同傾法和側(cè)傾法。一定的應(yīng)力狀態(tài)會引起材料的晶格應(yīng)變，這與宏觀應(yīng)變是一致的。當(dāng)材料中存在殘余應(yīng)力時(shí)，晶面間距將發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)生布拉格衍射時(shí)，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離與應(yīng)力大小相關(guān)。依據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ，用波長λ的X射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測出相應(yīng)的衍射角2θ，求出2θ對sin2Ψ的斜率M，便可算出應(yīng)力σ[4]。X射線應(yīng)力衍射儀可以用于測量曲線殘余應(yīng)力、連桿殘余應(yīng)力、齒輪殘余應(yīng)力等。

圖1 X射線衍射主要角度幾何關(guān)系

2 檢測工藝

2.1 檢測儀器

使用STRESS3000 X射線衍射儀，采用直徑為75 mm的測角儀，工作電壓為30 kV，工作電流為9 mA。使用Struers公司的MoviPol-5電解拋光儀，對工件表面進(jìn)行電解拋光腐蝕，實(shí)現(xiàn)對工件內(nèi)部一定深度的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。

2.2 檢測條件和影響因素

X射線測量殘余應(yīng)力的測量深度僅約十幾個(gè)μm。測量過程中的條件和主要影響因數(shù)：(1)工件表面應(yīng)光滑平整，對于曲軸，軸頸表面至少要經(jīng)過精磨，沒有油污、銹斑、氧化皮等，文獻(xiàn)[5]規(guī)定被測部位表面粗糙度Ra<10 μm；(2)測量過程中應(yīng)確保測角儀擺動時(shí)，不會觸碰工件，以免損傷準(zhǔn)直器和測角儀；(3)使用合適的波長以減少X射線的穿透，選擇合適的衍射角或使用較低的入射角；(4)X射線測量的殘余應(yīng)力值取決于照射面積大小和位置，如果衍射面積較小，可能會出現(xiàn)衍射晶體數(shù)量不足等問題；(5)彎曲表面會導(dǎo)致殘余應(yīng)力測量值偏低[6]。

3 主要應(yīng)用及檢測結(jié)果

3.1 監(jiān)控淬火曲軸磨削后軸頸應(yīng)力梯度

表面感應(yīng)淬火技術(shù)是目前軸類零件表面強(qiáng)化的常用手段之一。通過固態(tài)相變，提高軸頸表面強(qiáng)度和硬度，從而提高其使用壽命[7]。高硬度的軸頸在砂輪磨削過程中極易出現(xiàn)磨削燒傷。使用X射線應(yīng)力衍射儀可以無損地對軸頸表面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，從而達(dá)到有效監(jiān)控工件的磨削質(zhì)量。

曲軸磨削過程中是否出現(xiàn)燒傷，經(jīng)酸洗后檢查就可發(fā)現(xiàn)。燒傷表面呈暗褐色或至黑色，無燒傷表面呈淺灰色。采用剝層法對燒傷和無燒傷曲軸軸頸表面(各取2點(diǎn))的殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度進(jìn)行測量和對比。測量結(jié)果對比如表1和圖2所示。由表1和圖2可以看出，燒傷軸頸表面壓應(yīng)力下降，軸頸表面以下0.3 mm以內(nèi)的壓應(yīng)力降低幅度較大，局部已經(jīng)出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。

表1 不同磨削狀態(tài)曲軸軸頸應(yīng)力梯度測量結(jié)果

圖2 不同磨削狀態(tài)曲軸軸頸應(yīng)力梯度

3.2 監(jiān)控球鐵曲軸沉割槽滾壓效果

圓角沉割槽滾壓是球墨鑄鐵曲軸強(qiáng)化的一種常用方式。該方法是在軸頸過渡圓角處沉割出與滾輪半徑大小相同的圓角進(jìn)行滾壓，使表面層金屬產(chǎn)生微塑性變形，產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力。目前對于滾壓后的效果暫時(shí)沒有合適的檢測手段，故考慮采用X射線測量沉割槽內(nèi)殘余應(yīng)力，以對滾壓效果進(jìn)行評價(jià)。為了細(xì)致研究滾壓效果，本文采用電火花線切割機(jī)床切割曲軸軸頸，然后對曲柄銷圓角沉割槽內(nèi)整周的應(yīng)力進(jìn)行測量，測量位置見圖3。

曲軸下止點(diǎn)圓角是曲軸的最薄弱區(qū)域，因此滾壓機(jī)床對下止點(diǎn)圓角設(shè)置為全力滾壓，加大強(qiáng)化效果，對上止點(diǎn)圓角進(jìn)行半力滾壓。本文設(shè)置對比試驗(yàn)，通過調(diào)整滾壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)正反2個(gè)方向的滾壓試驗(yàn)。正向滾壓為下止點(diǎn)圓角全力滾壓，上止點(diǎn)圓角半力滾壓；反向滾壓為下止點(diǎn)圓角半力滾壓，上止點(diǎn)圓角全力滾壓。切割試驗(yàn)樣件后，測量圓角應(yīng)力，結(jié)果見表2。由表2可以看出，采用反向滾壓，下止點(diǎn)圓角變?yōu)榘肓L壓后，其圓角應(yīng)力遠(yuǎn)低于上止點(diǎn)的應(yīng)力。

圖3 曲柄銷圓角沉割槽內(nèi)測量位置

表2 曲柄銷圓角沉割槽內(nèi)應(yīng)力測量

3.3 監(jiān)控連桿噴丸后強(qiáng)化效果

連桿毛坯鍛造之后，采用噴丸去除表面氧化皮，同時(shí)進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。噴丸前表面有氧化皮，較粗糙，因此本文僅對噴丸后的連桿關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力測量。不同鋼材在成型過程中就存在鑄造或鍛造應(yīng)力，其大小與材料本身及成型工藝有關(guān)。圖4所示是噴丸后連桿關(guān)鍵部位測量點(diǎn)，表3所示為不同材質(zhì)連桿噴丸后關(guān)鍵部位的表面應(yīng)力分布情況。

表3 不同材質(zhì)連桿噴丸后關(guān)鍵部位應(yīng)力測量結(jié)果

連桿最容易失效的位置在桿部及大小頭與桿部連接處，這些關(guān)鍵部位需要重點(diǎn)強(qiáng)化。由表3可見，桿部殘余應(yīng)力最高。

圖4 噴丸后連桿關(guān)鍵部位測量點(diǎn)

4 結(jié)論

1) 針對表面感應(yīng)淬火強(qiáng)化的曲軸，通過殘余應(yīng)力測量，可以有效監(jiān)控和指導(dǎo)后續(xù)的磨削工藝；同時(shí)，采用電解拋光技術(shù)可以深入研究淬火區(qū)域內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。

2) 針對滾壓強(qiáng)化的曲軸，通過切割后進(jìn)行圓角整周的殘余應(yīng)力測量，建立經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。在后續(xù)的日常檢驗(yàn)中通過對上止點(diǎn)圓角等容易測量區(qū)域的測量，可以有效監(jiān)控滾壓效果，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對下止點(diǎn)圓角滾壓情況進(jìn)行粗略評估。

3)針對噴丸強(qiáng)化的連桿、滲碳淬火的齒輪等零件，均可以通過應(yīng)力測量對工件的關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)化效果評估。

4)針對零件的失效，比如變形、開裂、拉傷等方式，均可以采用殘余應(yīng)力測量進(jìn)行有效分析，輔助評判。

5)對于已測量出殘余應(yīng)力分布的工件，可以通過軟件模擬計(jì)算，開展工件的薄弱位置預(yù)測和使用壽命預(yù)估工作。