CN104267103A - 小模数齿轮齿根残余应力的晶片式超声无损检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于小模数齿轮齿根残余应力的晶片式超声无损检测探头及相关检测方法，该方法适用于齿轮齿根周向残余应力无损检测，通过残余应力超声无损检测系统、压电晶片、楔块的结合，在齿根附近激发出对残余应力最敏感的临界折射纵波。通过临界折射纵波在齿根附近有无应力时的声时差来精确计算该区域残余应力的大小。该方法可以准确、快速、无损的检测出小模数齿轮齿根残余应力值。

Description

小模数齿轮齿根残余应力的晶片式超声无损检测探头

一、技术领域

本发明提出了一种基于声弹性原理的利用压电晶片直接产生临界折射纵波的方法来实现齿轮齿根周向残余应力的无损检测，该方法适用于齿轮齿根周向残余应力的无损检测。

二、背景技术

齿轮是机械装备传递动力的重要零部件，它担负着传递扭矩、动力、运动重要任务，齿轮齿根残余应力对齿轮的制造质量、承载能力、使用安全性和可靠性及服役寿命有着重要影响。齿轮在成形过程中的机械加工和热处理工艺都会使齿根产生残余应力，循环工作载荷也迫使齿根产生残余应力，因此，及时无损地检测出制造过程中和服役过程中的齿根残余应力都是非常重要和必要的。

经过万方和知网的文献检索发现，论文：(赵熙雍.磨损牵引齿轮齿根应力的测定[J].机车电传动,1985:19-26)中提到了用贴应变片的方法来测量齿根的应力，但这种方法仅局限于监测齿轮在运动过程中的齿根侧面的动态受力情况，无法检测到齿根部位的制造和服役疲劳因素产生的残余应力。专利：(姜传海,等.小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法[P].专利号：CN102628815A，2012)公开了一种依据齿轮曲率半径制备不同尺寸的矩形衍射挡板，在不同尺寸挡板条件下，利用X射线衍射的方法检测出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，这是一种基于X射线的应力检测方法，要求齿轮齿根表面基本平整且要经过适当的化学处理，裸露出晶格，并且要反复调整X射线的入射角度，以便能得到在合适的衍射角度上有一定的强度，操作繁杂，影响因素多，准确度不高，而且只能检测齿根表面的残余应力，实际应用受到很大限制。专利：(徐春广、靳鑫等.一种用于测量齿轮齿根周向残余应力的超声无损检测方法[P].专利号：CN103808806A，2014)公开了一种使用传统的超声换能器与楔块的方法测量齿根的残余应力，这种方法只能针对模数比较大的齿轮的残余应力测量，对于模数小、齿槽空间小的齿轮，使用传统的超声换能器则无法测量。

本文提出的是一种基于晶片直接收发临界折射纵波的方法无损检测齿根残余应力，该方法的特点是可以对模数小、齿槽空间小的齿轮齿根进行残余应力无损检测。该方法对残余应力敏感度高，检测过程操作方便、速度快，非常适合现场使用。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种基于晶片直接收发临界折射纵波的方法无损检测齿根残余应力，达到准确、无损、快速的无损检测目的。

本发明的具体技术方案如下：

(1)根据临界折射纵波的激发原理，选择可以激发出临界折射纵波的波速比被测齿轮材料声速慢的材料作为楔块。

(2)根据齿轮渐开线的性质，设计可以在两齿面发射和接受临界折射纵波信号楔块。

(3)根据声波传播的性质，在楔块的中间开有槽，以达到消除干扰的目的。

四、附图说明

图1齿轮齿根应力测量示意图；

图2拉伸试样图；

图3晶片黏贴楔块图。

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1、L_CR波的激发

根据Snell定律，当超声纵波从波速较慢的声楔块传播到波速较快的齿轮材料当中时会发生折射现象，当纵波折射角度等于90°时对应的入射角度称为第一临界角，计算公式如下所示。

θ_cr＝sin^-1(V₁/V₂)

式中：

V₁—波速较慢的介质中超声纵波传播速度(m/s)；

V₂—波速较快的介质中超声纵波传播速度(m/s)。

θ_cr—第一临界角(°)；

临界折射纵波将沿齿轮齿根附近表层进行传播。

根据齿轮渐开线的性质，在齿面放置楔块位置找出渐开线在这点的切线，根据Snell定律和在楔块材料和齿轮材料中的声速计算出在这点的第一临界角。

2、残余应力检测原理

根据声弹性基本原理，超声波在各向同性弹性介质中传播时，当波动质点的偏振方向与残余应力方向一致或相反(即，为0度或180度)时，超声波波速改变量与残余应力变化量成线性关系。因此，可以利用超声临界折射纵波检测该方向的残余应力。当临界折射纵波速度增加时，表示材料中存在压缩残余应力，反之，存在拉伸残余应力，在材料特性确定条件下，临界折射纵波波速变化量dV与残余应力变化量dσ之间的关系如下：

$\mathrm{d\σ}=\frac{2}{k{V}_0}\mathrm{dV}$

式中：

dσ—残余应力的改变量(MPa)；

dV—临界折射纵波传播速度的改变量(m/s)；

V₀—零应力条件下临界折射纵波的传播速度(m/s)；

k—声弹性系数(ns/m²)；

当临界折射纵波传播距离L确定之后，被测介质内的声速变化可以用声时变化等效代替，如下式：

$\mathrm{d\σ}=\frac{2}{k{t}_0}\mathrm{dt}$

式中：

dt—临界折射纵波传播声时的变化量(s)；

t₀—零应力条件下临界折射纵波传播固定距离L所需要的时间(s)；

令应力常数其中t₀是零应力条件下纵波传播过，这时应力变化与超声波传播声时变化成近似线性关系，即Δσ＝KΔt。

3、齿轮中应力常数K值的标定

要标定出临界折射纵波在齿轮两晶片间传播时的应力常数K，需制作与齿轮材料相同的拉伸试样，使用电子拉伸试验机、超声脉冲收发仪、示波器进行在平板中应力常数K₀值的标定。具体步骤如下：

(1)在齿轮材料的屈服极限内，使用电子拉伸试验机对拉伸试件施加拉力，每隔一定的应力值(本方法采用每隔30MPa)，记录示波器中显示的时间差T_i和拉伸试验机显示的应力值σ_i。通过最小二乘法来进行曲线拟合，计算出应力常数K₀值。根据公式(2)求出材料的固有声弹性系数k。

$\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{\σ}}_i-K_0\×(T_i-T_0)]}^2={\mathrm{\σ}}_{\min }^2---\left(1\right)$

$K=-\frac{2}{{\mathrm{kt}}_0}---\left(2\right)$

(2)测量出临界折射纵波在发射、接收两晶片之间的传播时间t₀。根据公式(2)、t₀、k标定出在齿轮中的应力常数K值。

4、齿轮齿根残余应力的检测

首先测出两晶片间临界折射纵波传播的声程记为S，则在零应力状态下，超声纵波在两楔块间的传播时间为记应力状态下超声纵波在齿轮中的声速为V_i，则齿轮中的应力大小为

Claims (9)

1.本发明提出了一种齿轮齿根残余应力的无损检测探头设计方法，其特征在于它包括：压电晶片和声楔块组成的专用探头、残余应力超声无损检测系统以及被检测齿轮。

2.根据权利要求1所述的齿根残余应力的无损检测探头设计方法，根据齿轮渐开线的性质进行特殊声楔块角度的设计，使其满足入射纵波在齿面产生临界折射纵波的条件，通过特殊设计的声楔块可以激发和接收临界折射纵波。根据齿轮特殊的结构尺寸，选择声速比齿轮材料声速慢的材料为声楔块材料。在楔块设计时需要与齿轮齿面有较好的耦合，故楔块底面要做成与齿轮齿面相吻合的渐开线曲面。

3.根据权利要求1所述的齿根残余应力的无损检测探头设计方法，选择频率0.5～25MHz、尺寸覆盖齿面法向投影面积大小的压电晶片，使用导电胶将压电晶片牢固地粘贴于声楔块上表面。

4.根据权利要求1所述的齿根残余应力的无损检测探头设计方法，需要标定出被检测材料对应临界折射纵波在齿轮轮齿内传播时的声弹性应力常数K。需制定与被检测材料相同、热处理方式完全相同的拉伸试件，用电子拉伸试验机进行拉伸并记录不同时刻的应力值σ_i、通过超声应力无损检测系统检测出不同应力值的声时差T_i，通过最小二乘法进行线性拟合，求出在平板中的应力常数K₀值。根据公式(2)求出材料的固有声弹性系数k。

$\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{\σ}}_i-K_0\×(T_i-T_0)]}^2={\mathrm{\σ}}_{\min }^2---\left(1\right)$

$K=-\frac{2}{{\mathrm{kt}}_0}---\left(2\right)$

5.根据权利要求4所述的K值的标定，需精确测量出两个晶片发射和接收临界折射纵波的传播时间t₀。

6.根据权利要求4所述的K值的标定，根据公式(2)、t₀、k标定出在齿轮中的应力常数K值。

7.根据权利要求1所述的齿根残余应力的无损检测方法，在检测应力时先进行零应力标定，记录零应力波形和传播时间t₀。

8.根据权利要求1所述的齿根残余应力的无损检测探头设计方法，在检测齿根残余应力时，通过测量有无残余应力波形与零应力波形的相关对比，计算出声时差，通过公式σ＝K×(t_i-t₀)计算出齿轮中的齿根周向残余应力数值。

9.根据权利要求1所述的齿根残余应力的无损检测探头设计方法，在检测齿根残余应力时，通过测量有无残余应力波形与零应力波形的相关对比，计算出声时差，通过公式σ＝K×(t_i-t₀)计算出齿轮中的齿根周向残余应力方向，如果是正值，则为拉伸残余应力，如果是负值则为压缩残余应力。