螺旋錐齒輪齒面殘余應(yīng)力測(cè)試與分析

劉輝 王豪野 艾永生

摘 要：滲碳淬火-磨削-噴丸工藝是航空螺旋錐齒輪加工過(guò)程的典型工藝，但是齒輪表面與亞表面均會(huì)產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。本文通過(guò)設(shè)計(jì)并制備齒輪試件，運(yùn)用X射線衍射法測(cè)量了該典型工藝的螺旋錐齒輪齒面殘余應(yīng)力。測(cè)試結(jié)果表明，螺旋錐齒輪齒面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，沿齒寬方向殘余應(yīng)力平均值為-768.36 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為56.43 MPa，沿齒高方向殘余應(yīng)力平均值為-736.56 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為66.36 MPa。節(jié)線附近測(cè)量點(diǎn)殘余壓應(yīng)力較大。齒根處曲率較大，測(cè)量誤差較大，人們需要進(jìn)行多次測(cè)量。

關(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪;殘余應(yīng)力;X射線

中圖分類號(hào)：TG616文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0041-03

Measurement and Analysis on Residual Stress of Spiral Bevel Gear

LIU Hui1 WANG Haoye2 AI Yongsheng1

（1.AECC HUNAN Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou Hunan 412002;2. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University，Changsha Hunan 410082）

Abstract： The carburizing quenching-grinding-shot peening process is a typical process of aviation spiral bevel gear processing， but the surface and subsurface of the gear will produce different degrees of residual stress. In this paper， through the design and preparation of gear test pieces， the residual stress of the spiral bevel gear tooth surface of this typical process is measured by X-ray diffraction method. The test results show that the residual stress on the tooth surface of the spiral bevel gear is compressive stress， the average value of the residual stress along the tooth width direction is -768.36 MPa， the standard deviation is 56.43 MPa， and the average value of the residual stress along the tooth height direction is -736.56 MPa， and the standard deviation is 66.36 MPa. The residual compressive stress at the measuring point near the nodal line is relatively large. The curvature of the tooth root is large， and the measurement error is large， people need to perform multiple measurements.

Keywords： spiral bevel gear;residual stress;X-ray

螺旋錐齒輪因其具有承載能力強(qiáng)、重合度高、嚙合沖擊小、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，在航空傳動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。殘余應(yīng)力是指在沒(méi)有外加荷載的作用下存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布，會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能。滲碳淬火-磨削-噴丸工藝是航空螺旋錐齒輪加工過(guò)程的典型工藝，而齒輪表面與亞表面都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1-2]。研究表明，齒面殘余應(yīng)力會(huì)影響齒輪的疲勞強(qiáng)度，一定的殘余壓應(yīng)力能夠強(qiáng)化螺旋錐齒輪齒面的接觸，提升其彎曲疲勞強(qiáng)度[3]。因此，有必要對(duì)輪齒殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，研究典型工藝條件下殘余應(yīng)力在螺旋錐齒輪齒面的分布情況。

1 殘余應(yīng)力測(cè)試方法分析

由于殘余應(yīng)力測(cè)試儀器的改進(jìn)更新以及檢測(cè)方法的規(guī)范化與流程化，殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的可靠性與精度大幅提升。目前，殘余應(yīng)力測(cè)試方法主要分為兩大類。一是機(jī)械法，包括取條法、切槽法、剝層法和盲孔法等;二是物理檢測(cè)法，包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲法和磁測(cè)法等[4]。

機(jī)械法測(cè)量殘余應(yīng)力需要釋放應(yīng)力，需要對(duì)工件局部分離或者分割。物理檢測(cè)法屬無(wú)損檢測(cè)法，對(duì)工件不會(huì)造成破壞。下面介紹其中幾種殘余應(yīng)力測(cè)試方法，對(duì)比分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選用最適用于齒面殘余應(yīng)力的測(cè)試方法。

X射線衍射法是一種殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)方法。當(dāng)多晶材料中存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)，其必然也存在與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)應(yīng)變，該效應(yīng)導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)（即晶格中原子間相對(duì)位置）發(fā)生變化。通過(guò)分析該效應(yīng)在X射線衍射譜線上的體現(xiàn)，人們即可測(cè)量材料內(nèi)部應(yīng)力分布[2]。

盲孔法是在有一定初應(yīng)力的構(gòu)件表面鉆一小盲孔，盲孔試件表面釋放部分應(yīng)力而產(chǎn)生相應(yīng)的位移與應(yīng)變[5]。盲孔法測(cè)量中的應(yīng)力釋放屬于部分釋放，因此盲孔法的測(cè)量精度較低。

中子衍射法是通過(guò)測(cè)量中子束的衰減而進(jìn)行的無(wú)損檢測(cè)方法，可以用來(lái)測(cè)量材料內(nèi)部的三維殘余應(yīng)力分布，其測(cè)定殘余應(yīng)力的原理與X射線衍射法基本相同[6]。中子衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力的缺點(diǎn)是需要的測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，而且中子衍射法殘余應(yīng)力測(cè)試儀建造和運(yùn)行費(fèi)用昂貴。中子衍射法無(wú)法測(cè)量結(jié)構(gòu)表層殘余應(yīng)力，只有在距表面100 μm以上區(qū)域才具有優(yōu)勢(shì)。

超聲波可穿透物體，其聲彈效應(yīng)主要取決于材料內(nèi)部的應(yīng)變大小，人們可以利用超聲波的聲彈常數(shù)與應(yīng)力之間的特定關(guān)系來(lái)檢測(cè)殘余應(yīng)力[7]。超聲波法的測(cè)量結(jié)果受試件材料組織結(jié)構(gòu)的影響較大，且無(wú)法對(duì)表層或內(nèi)部應(yīng)力急劇變化的構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，由于超聲波波長(zhǎng)較大，聲速較低，由應(yīng)力引起的聲速變化較小，導(dǎo)致測(cè)量精度與可靠性較低。

對(duì)比上述殘余應(yīng)力測(cè)試方法，考慮到盲孔法與超聲波法測(cè)試精度較低，中子衍射法測(cè)試成本較高，無(wú)法測(cè)量結(jié)構(gòu)表層殘余應(yīng)力，本研究選用X射線衍射法開(kāi)展齒面殘余應(yīng)力測(cè)試。

2 螺旋錐齒輪試件制備

為滿足殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備的試件尺寸要求，人們需要對(duì)待檢測(cè)的螺旋錐齒輪試件進(jìn)行線切割。試件制備過(guò)程如圖1所示，線切割過(guò)程中，為防止影響齒面微觀結(jié)構(gòu)，切割位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離齒面。通過(guò)多次的線切割，人們可以獲得多個(gè)齒輪單齒試件，以便進(jìn)行齒面殘余應(yīng)力測(cè)試。

3 測(cè)試設(shè)備與流程

本研究采用X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)多晶金屬材料零部件進(jìn)行非破壞性殘余應(yīng)力測(cè)量，可同時(shí)測(cè)得正應(yīng)力和切應(yīng)力。

考慮到螺旋錐齒輪齒面為空間曲面，研究人員在齒輪試件表面上標(biāo)記4×5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖2所示。其中，根據(jù)自上到下和自左到右的順序，測(cè)點(diǎn)序號(hào)依次編為1，2，3，4，…，17，18，19，20。下面測(cè)量各齒面測(cè)量點(diǎn)沿齒寬方向[σx]與沿齒高方向[σy]的殘余應(yīng)力，并對(duì)多個(gè)齒輪試件的凹面與凸面進(jìn)行測(cè)試。

具體測(cè)量流程如下：步驟一是分配4×5矩陣式測(cè)試點(diǎn)并將其標(biāo)記于輪齒試件齒面;步驟二是將制備的輪齒試件裝夾在X射線衍射儀測(cè)量探頭下，調(diào)整位置及角度，使其測(cè)試點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)第一個(gè)齒面測(cè)試點(diǎn);步驟三是使用X射線衍射儀測(cè)量沿齒寬方向[σx]與沿齒高方向[σy]的殘余應(yīng)力值，并記錄測(cè)試點(diǎn)位置及測(cè)試值;步驟四是重復(fù)步驟二和步驟三，繼續(xù)測(cè)量其余測(cè)試點(diǎn)的殘余應(yīng)力，直至測(cè)量完成;步驟五是進(jìn)行多組試驗(yàn)，測(cè)試不同輪齒試件的齒面殘余應(yīng)力;步驟六是將記錄的測(cè)試值輸入數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析處理，研究殘余應(yīng)力在輪齒表面的分布規(guī)律。

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)量齒輪試件表面標(biāo)記點(diǎn)殘余應(yīng)力，人們可以獲得各測(cè)量點(diǎn)沿齒寬方向[σx]與沿齒高方向[σy]的殘余應(yīng)力值的正應(yīng)力與切應(yīng)力分布。部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1與表2所示。表中，數(shù)據(jù)單位均為MPa。

剔除應(yīng)力誤差大于25 MPa的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)后，由表1計(jì)算可得，齒輪試件沿齒寬方向的殘余應(yīng)力[σx]平均值為-768.36 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為56.43 MPa。由表2計(jì)算可得，沿齒高方向的殘余應(yīng)力[σy]平均值為-736.56 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為66.36 MPa。齒面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。齒根處曲率較大，測(cè)量誤差較大，人們需要進(jìn)行多次測(cè)量。結(jié)合各測(cè)量點(diǎn)位置坐標(biāo)，研究人員發(fā)現(xiàn)節(jié)線附近測(cè)量點(diǎn)殘余壓應(yīng)力較大。

5 結(jié)論

本文研究了基于典型工藝（滲碳淬火-磨削-噴丸工藝）的螺旋錐齒輪齒面殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)并制備了齒輪試件，基于X射線衍射法測(cè)量了齒輪試件表面的殘余應(yīng)力，分析了殘余應(yīng)力沿齒寬、齒高向的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，齒面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，沿齒寬方向殘余應(yīng)力的平均值為-768.36 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為56.43 MPa，而沿齒高方向的殘余應(yīng)力平均值為-736.56 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為66.36 MPa;齒根處曲率較大導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，人們需要進(jìn)行多次測(cè)量;節(jié)線附近測(cè)量點(diǎn)殘余壓應(yīng)力較大。

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