CN102628815A - 小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，在测定曲面齿轮根部残余应力时，依据齿轮曲率半径制备不同尺寸的矩形衍射挡板，测量出在不同尺寸挡板条件下，曲面齿轮根部残余应力值，获得矩形挡板宽度与残余应力值之间的关系。随着照射宽度的减小，残余应力值逐渐趋于平稳，最终确定残余应力值。与现有技术相比，本发明通过选择合适的衍射挡板尺寸可以有效的避免由于衍射曲面效应所导致的残余应力测量误差。测量出的残余应力值误差小，可以广泛应用于曲面齿轮根部喷丸后残余应力测量。

Description

小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法

技术领域

本发明涉及一种曲面齿轮根部残余应力检测的方法，具体地说，是一种X射线衍射测量曲面齿轮根部残余应力的方法。用于材料分析测试技术领域。

背景技术

在材料生产、处理或加工过程中，由于材料的局部区域产生了不均匀性的塑性变形从而在材料中产生了残余应力。适当的残余应力分布可以成为工件服役的有利因素。齿轮的加工制造过程非常复杂，在满足齿轮几何形状和尺寸的要求之外，可通过喷丸强化技术向齿轮根部表层引入残余压应力场以及加工硬化，以提高其疲劳寿命。同时为了确保齿轮的制造质量，需要检测和控制其生产中各工序间的残余应力值。特别是在齿轮失效分析过程中，需要准确测定失效齿轮的残余应力。

X射线衍射技术，理论基础比较严谨，实验技术日渐完善，无需破坏试样是目前测定喷丸后残余应力及其分布的有效方法。然而该方法在测量曲面齿轮根部残余应力时，存在许多技术困难。例如X射线照射区域的曲面衍射效应以及照射点的位置偏移等，上述因素会导致错误的测定结果。

经对现有技术文献的检索发现，M.Guagliano等人在《Engineering FailureAnalysis，2002，Vol.9，No.2，pp147-158》(工程失效分析，2002年，9卷，第2期，第147-158页)发表了“Contact fatigue failure analysis of shot-peened gears”论文，研究了喷丸处理后，齿根表层残余应力对齿轮疲劳寿命的影响，指出喷丸后的残余应力值是检测喷丸效果的一个重要指标。P.J.Withers等人在《MaterialsScience and Technology，2001，Vol.17，No.4，pp355-365》(材料科学与技术，2001年，17卷，第4期，第355-365页)上发表了“Overview-Residual stress Part1-Measurment techniques”论文，研究总结了X射线衍射法测量残余应力的方法以及不足，如果检测试样表面不平整，传统X射线衍射法测量残余应力的结果将会产生较大误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，该方法通过测定曲面齿轮根部在X射线残余应力测量中的曲面衍射效应，拟采用限制X射线照射宽度的方法克服该效应的不利影响，其目的是能够正确评价曲面齿轮根部切向残余应力，确保应力测量精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，包括以下步骤：

(1)对曲面齿轮根部进行喷丸处理，并且测量出齿轮的曲率半径；

(2)依据齿轮所用材料选择具体的X射线残余应力测量参数；

(3)制作不同尺寸的衍射矩形挡板，测量在不同尺寸挡板下齿轮根部残余应力值；

(4)绘制残余应力值随矩形挡板宽度的变化规律图，利用曲线拟合，最终确定平稳区，从而获得残余应力值。

步骤(1)利用气压式喷丸机对曲面齿轮根部进行喷丸处理，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA(Almen试片弧高)，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间30～90秒。

步骤(2)为材料X射线残余应力测量参数设置，其工作原理是，X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强。如果材料中存在残余应力，则衍射峰的位置将会出现偏移。通过测量不同方位角Ψ下衍射峰位偏移量，最终获得材料的残余应力值。在测量过程中通过滤波片过滤Ka2衍射线，确保衍射X射线的单色性，从而保证了测量结果的可靠性。

步骤(2)选择具体的X射线残余应力测量参数时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面，对于奥氏体钢，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片，对于普通碳钢，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，V滤波片。

步骤(3)为制备不同尺寸矩形挡板，测量曲面衍射效应，齿根轴向即垂直纸面方向，A-O-B为照射宽度，照射宽度内实际是曲面，该曲面上不同位置的应力测定Ψ角不同，其中A-O部分衍射贡献即对应力测量结果影响要比O-B部分的大。图中只有O点的Ψ角正确，O-A部分其它位置Ψ角要比其真实值小，导致应力测量值低于真实残余应力，X射线照射样品宽度越大这种效应就越明显，只有当射线照射宽度足够小时，这种曲面衍射效应才可以忽略不计，应力测量值接近于真实残余应力。制作不同尺寸大小的矩形挡板，材料可为不透明塑料胶带。矩形长度固定，宽度范围可小于该齿根曲率半径三分之一。将该挡板下凹放置在齿根表面，挡板矩形孔长度方向沿齿根轴向摆放，应力测量则沿齿根切向，矩形孔部分即X射线照射齿根的面积，矩形孔以外的X射线被遮挡。利用X射线衍射技术获取不同矩形挡板下的残余应力值。

步骤(4)为绘制不同矩形宽度下的残余应力值，选择残余应力平稳区域值为试样最终残余应力值。其工作原理是，找出残余应力随矩形挡板宽度的变化规律。具体为：将不同矩形宽度下的残余应力值与相对应的宽度拟合曲线，找出其平稳区域，最终选择稳定的残余应力值为检测试样的残余应力测量值。

与现有技术相比，本发明所提出的曲面齿轮根部残余应力测量方法，采用不同尺寸的矩形挡板有效的避免了在传统残余应力测量过程中由于曲面的存在而产生的曲面效应。利用曲线拟合，最终确定曲面齿轮齿根部位残余应力。

附图说明

图1为曲面样品的X射线衍射几何示意图；

图2为齿根X射线应力测定中挡板示意图；

图3为实施例1不同宽度挡板下齿根表面切向残余应力与照射宽度的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，包括以下步骤：

(1)曲面齿轮表面喷丸处理

齿轮材料牌号20CrNi2Mo，表面经过渗碳淬火处理，齿根部位的曲率半径为1.5mm，利用气动喷丸机及高硬度φ0.6mm钢丝切丸，对齿轮表面进行喷丸强化处理，喷丸强度为0.50mmA。

(2)材料X射线残余应力测量参数设置

在试验中具体的残余应力测量参数为管电压：30kV，管电流：25mmA，Cr- Kα辐射，V滤波片，Fe(211)衍射晶面。

(3)制备不同尺寸矩形挡板，测量曲面衍射效应。

采用不透明塑料胶带制备长度5mm，宽度分别1.6mm、1.2mm、0.8mm、0.5mm和0.2mm的矩形孔。利用X射线衍射技术获取不同矩形挡板下的残余应力值。

图1为曲面衍射示意图。其中齿根轴向即垂直纸面方向，A-O-B为照射宽度，照射宽度内实际是曲面，该曲面上不同位置的应力测定Ψ角不同，其中A-O部分衍射贡献即对应力测量结果影响要比O-B部分的大。图中只有O点的Ψ角正确，O-A部分其它位置Ψ角要比其真实值小，导致应力测量值低于真实残余应力，X射线照射样品宽度越大这种效应就越明显，只有当射线照射宽度足够小时，这种曲面衍射效应才可以忽略不计，应力测量值接近于真实残余应力。制作不同尺寸大小的矩形挡板，材料可为不透明塑料胶带。图2为齿根X射线应力测定中挡板示意图，挡板中间开设有矩形孔(挡板矩形孔长度方向沿齿根轴向摆放，矩形孔宽度即射线照射宽度。矩形长度固定，宽度范围可小于该齿根曲率半径三分之一。将该挡板下凹放置在齿根表面，挡板矩形孔长度方向沿齿根轴向摆放，应力测量则沿齿根切向，矩形孔部分即X射线照射齿根的面积，矩形孔以外的X射线被遮挡。利用X射线衍射技术获取不同矩形挡板下的残余应力值。

(4)绘制不同矩形宽度下的残余应力值，确定残余应力平稳区域，最终确定其残余应力值。

以矩形宽度为横坐标，不同矩形宽度下的残余应力为纵坐标，做残余应力曲线拟合。图3为本实施例中采用不同尺寸挡板下的残余应力值。通过图3，最终确定平稳区，从而获得残余应力值。

测量结果表明，曲面齿根的传统残余应力测量方法存在较大波动。采用矩形挡板限制X射线照射区域后，当照射宽度小于1/3齿根曲率半径时，可以忽略曲面衍射效应的不利影响，能确保X射线应力测定结果的可靠性。

实施例2

小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，包括以下步骤：

(1)对曲面齿轮根部进行喷丸处理，并且测量出齿轮的曲率半径，本实施例中曲面齿轮为低强度材料制成的齿轮，喷丸强度为0.1～0.2mmA，喷丸处理的时间30～90秒；

(2)依据齿轮所用材料选择具体的X射线残余应力测量参数，本实施例中为奥氏体钢材料，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片；

(3)制作不同尺寸的衍射矩形挡板，测量在不同尺寸挡板下齿轮根部残余应力值，本实施例采用厚度为1mm不透明塑料胶带，制备衍射矩形挡板，该挡板长度固定在齿轮曲率半径的3倍，宽度范围最小值小于齿轮曲率半径的三分之一；

(4)绘制残余应力值随矩形挡板宽度的变化规律图，利用曲线拟合，最终确定平稳区，从而获得残余应力值，确定平稳区时，利用不同宽度挡板下残余应力值与挡板宽度的关系，确定出残余应力测量值的平稳区域，最终选择合适的挡板，多次测量残余应力值从而获取平均值。

实施例3

小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，包括以下步骤：

(1)对曲面齿轮根部进行喷丸处理，并且测量出齿轮的曲率半径，本实施例中曲面齿轮为中等强度材料制成的齿轮，喷丸强度为0.2～0.5mmA，喷丸处理的时间30～90秒；

(2)依据齿轮所用材料选择具体的X射线残余应力测量参数，本实施例中为奥氏体钢材料，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片；

(3)制作不同尺寸的衍射矩形挡板，测量在不同尺寸挡板下齿轮根部残余应力值，本实施例采用厚度为1mm不透明塑料胶带，制备衍射矩形挡板，该挡板长度固定在齿轮曲率半径的3倍，宽度范围最小值小于齿轮曲率半径的三分之一；

(4)绘制残余应力值随矩形挡板宽度的变化规律图，利用曲线拟合，最终确定平稳区，从而获得残余应力值，确定平稳区时，利用不同宽度挡板下残余应力值与挡板宽度的关系，确定出残余应力测量值的平稳区域，最终选择合适的挡板，多次测量残余应力值从而获取平均值。

实施例4

小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，包括以下步骤：

(1)对曲面齿轮根部进行喷丸处理，并且测量出齿轮的曲率半径，本实施例中曲面齿轮为高强度材料制成的齿轮，喷丸强度大于0.5mmA，喷丸处理的时间30～90秒；

(2)依据齿轮所用材料选择具体的X射线残余应力测量参数，本实施例中为普通钢材料，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，V滤波片；

(3)制作不同尺寸的衍射矩形挡板，测量在不同尺寸挡板下齿轮根部残余应力值，本实施例采用厚度为1mm不透明塑料胶带，制备衍射矩形挡板，该挡板长度固定在齿轮曲率半径的3倍，宽度范围最小值小于齿轮曲率半径的三分之一；

(4)绘制残余应力值随矩形挡板宽度的变化规律图，利用曲线拟合，最终确定平稳区，从而获得残余应力值，确定平稳区时，利用不同宽度挡板下残余应力值与挡板宽度的关系，确定出残余应力测量值的平稳区域，最终选择合适的挡板，多次测量残余应力值从而获取平均值。

Claims (5)

1.小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对曲面齿轮根部进行喷丸处理，并且测量出齿轮的曲率半径；

(2)依据齿轮所用材料选择具体的X射线残余应力测量参数；

(3)制作不同尺寸的衍射矩形挡板，测量在不同尺寸挡板下齿轮根部残余应力值；

(4)绘制残余应力值随矩形挡板宽度的变化规律图，利用曲线拟合，最终确定平稳区，从而获得残余应力值。

2.根据权利要求1所述的小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，其特征在于，步骤(1)进行喷丸处理时，对于低强度材料制成的齿轮，喷丸强度介于0.1～0.2mmA，对于中等强度材料制成的齿轮，喷丸强度介于0.2～0.5mmA，对于超高强度材料制成的齿轮，喷丸强度大于0.5mmA，喷丸处理的时间30～90秒。

3.根据权利要求1所述的小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，其特征在于，步骤(2)选择具体的X射线残余应力测量参数时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面，对于奥氏体钢，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片，对于普通碳钢，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，V滤波片。

4.根据权利要求1所述的小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，其特征在于，步骤(3)制作衍射矩形挡板时，采用厚度为1mm不透明塑料胶带，制备衍射矩形挡板，该挡板长度固定在齿轮曲率半径的3倍，宽度范围最小值小于齿轮曲率半径的三分之一。

5.根据权利要求1所述的小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法，其特征在于，步骤(4)确定平稳区时，利用不同宽度挡板下残余应力值与挡板宽度的关系，确定出残余应力测量值的平稳区域，最终选择合适的挡板，多次测量残余应力值从而获取平均值。

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