CN109827691A - 齿面残余应力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种齿面残余应力测量方法，包括如下步骤：1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下；2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；3)调节：调节齿面在测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值，并将残余应力仪的摄像头对焦在对应测量点处；或调节齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α，并使残余应力仪的对焦探针对焦在对应的测量点处；4)测量：利用残余应力仪测量该测量点所在的齿面区域的残余应力。具有方便对焦、光路和衍射环光路不会被遮挡的优点，并能够提高测量精度。

Description

齿面残余应力测量方法

技术领域

本发明涉及一种残余应力测量方法，具体的为一种齿面残余应力测量方法。

背景技术

残余应力为消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，都可能因不均匀塑性变形或相变引起残余应力。残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂，或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。残余应力有时也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。

齿轮加工会经过多道工序，不可避免地会存在残余应力。现有技术中，一般采用残余应力仪测量齿轮轮齿表面(即齿面)的残余应力。残余应力仪对被测量物具有以下要求：

1)残余应力仪的侧头相对测量件表面倾斜一定角度或需实现绕工件的旋转运动；

2)被测量的面为水平面；

3)能够通过摄像头软件/对焦探针对焦。

然而，在使用残余应力仪测量齿面残余应力的过程中，往往存在以下问题：

1)齿轮干涉无法对焦：齿轮的其他轮齿与残余应力仪之间会产生干涉，导致残余应力仪无法在正确的位置姿态下实现测量；

2)摄像头光路/对焦探针对焦受阻：当需要测量的齿面区域位于靠近轮齿齿根处时，由于齿轮本身几何形状原因，被测轮齿旁边轮齿会遮挡摄像头光路，导致摄像头无法精准对焦，或阻碍对焦探针接触工件表面，导致无法对焦；

3)衍射环光路被其它轮齿遮挡，导致计算数据缺失，测量结果不稳定，或测头旋转运动受齿轮阻碍，无法获取数据；

4)由于齿轮齿廓形状特性，无法保证测量面为水平面。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种齿面残余应力测量方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种齿面残余应力测量方法，包括如下步骤：

1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下；

2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；

3)调节：调节齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ，并将残余应力仪的摄像头对焦在对应测量点处；或调节齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α，并使残余应力仪的对焦探针对焦在对应的测量点处；

4)测量：利用残余应力仪测量该测量点所在的齿面区域的残余应力。

进一步，还包括步骤5)，循环步骤2)至步骤4)，直至所有被选择的所述测量点均完成残余应力测量。

进一步，所述步骤1)中，采用线切割工艺将所述轮齿沿其齿根切下。

进一步，所述步骤3)中，所述轮齿为圆柱齿轮的轮齿，所述齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角的调节方法为：

31)将残余应力仪调节到设定位置处，并设检测射线光路与摄像头之间构成的平面为基准面；

32)调节轮齿，使轮齿齿面过所述测量点的啮合线与所述基准面垂直，或使轮齿齿面过所述测量点的啮合线在该测量点处的切线与所述基准面垂直；

33)以与所述基准面平行或共面的平面为截面，驱动轮齿绕垂直于基准面的转轴旋转，使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ，或使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；

34)驱动轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转，使截得的齿廓曲线在所述测量点处的切线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使截得的齿廓曲线在所述测量点处的切线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α。

进一步，所述轮齿为渐开线轮齿，所述步骤34)中，轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转的旋转角度θ_j0为：

θ_j0＝θ_j+2πn

其中，m_j为渐开线圆柱齿轮的模数，z_j为渐开线圆柱齿轮的齿数，h_ja ^*为渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数，α_j为渐开线圆柱齿轮的压力角；n为大于等于零的整数；

r_jd为渐开线圆柱齿轮的齿顶圆半径，且r_jd＝(z_j+2h_ja)m_j/2；

r_jb为渐开线圆柱齿轮的基圆半径，且r_jb＝(m_jz_jcosα_j)/2；

r_jdm为渐开线圆柱齿轮上的测量点M_j与轮齿齿顶面之间的距离。

进一步，所述轮齿为摆线轮齿，所述步骤34)中，轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转的旋转角度θ_l0为：

θ_l0＝θ_l+2πn

其中，其中，r₁为摆线曲线成形的滚动圆半径；

r为摆线曲线成形的产形点固接圆半径；

n为大于等于零的整数；

φ₁为代表测量点的未知量，其求解方程为：

其中，r_m＝r_d-r_dm，r_d为摆线圆柱齿轮的齿顶圆半径；r_dm为摆线圆柱齿轮的测量点M_b与轮齿齿顶面之间的距离。

本发明的有益效果在于：

本发明的齿面残余应力测量方法，通过将轮齿沿齿根从齿轮上切下，如此，即可避免残余应力测量过程中，其他轮齿对残余应力仪的干涉，并具有以下优点：1)可快速方便地对焦；2)摄像头光路不会被遮挡，可对齿面的任意位置进行测量；3)衍射环光路也不会被其它轮齿遮挡，使测量结果更稳定；通过选择满足kd≤R条件的位置点为测量点，可有效提高测量精度。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为轮齿为渐开线圆柱直齿轮时的截面图，具体的为当轮齿截面的对称线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ或当轮齿截面的对称线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α后，以垂直于基准面的轴线旋转轮齿的角度的示意图，图示中的基准面为纸面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例的齿面残余应力测量方法，包括如下步骤：

1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下，本实施例采用线切割工艺将所述轮齿沿其齿根切下，本实施例的轮齿为渐开线圆柱齿轮的轮齿；

2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；

3)调节：调节齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ，并将残余应力仪的摄像头对焦在对应测量点处；

本实施例的轮齿为渐开线圆柱齿轮的轮齿，所述齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角的调节方法为：

31)将残余应力仪调节到设定位置处，并设检测射线光路与摄像头之间构成的平面为基准面；

32)调节轮齿，使轮齿齿面过所述测量点的啮合线与所述基准面垂直；

33)以与所述基准面平行或共面的平面为截面，驱动轮齿绕垂直于基准面的转轴旋转，使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；

34)驱动轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转角度θ_j，使截得的齿廓曲线在所述测量点处的切线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；

4)测量：利用残余应力仪测量该测量点所在的齿面区域的残余应力；本实施例的残余应力仪采用的型号为PULSTEC μ-360s；本实施例的γ＝55°；

5)循环步骤2)至步骤4)，直至所有被选择的所述测量点均完成残余应力测量。

具体的，本实施例的轮齿为渐开线圆柱直齿轮的轮齿，则所述步骤34)中，轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转的旋转角度θ_j0为：

θ_j0＝θ_j+2πn

其中，m_j为渐开线圆柱齿轮的模数，z_j为渐开线圆柱齿轮的齿数，h_ja ^*为渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数，α_j为渐开线圆柱齿轮的压力角；n为大于等于零的整数；

r_jd为渐开线圆柱齿轮的齿顶圆半径，且r_jd＝(z_j+2h_ja)m_j/2；

r_jb为渐开线圆柱齿轮的基圆半径，且r_jb＝(m_jz_jcosα_j)/2；

r_jdm为渐开线圆柱齿轮上的测量点M_j与轮齿齿顶面之间的距离。

本实施例的齿面残余应力测量方法，通过将轮齿沿齿根从齿轮上切下，如此，即可避免残余应力测量过程中，其他轮齿对残余应力仪的干涉，并具有以下优点：1)可快速方便地对焦；2)摄像头光路不会被遮挡，可对齿面的任意位置进行测量；3)衍射环光路也不会被其它轮齿遮挡，使测量结果更稳定；通过选择满足kd≤R条件的位置点为测量点，可有效提高测量精度。

实施例2

本实施例的齿面残余应力测量方法，包括如下步骤：

1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下，本实施例采用线切割工艺将所述轮齿沿其齿根切下，本实施例的轮齿为摆线圆柱齿轮的轮齿；

2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；

3)调节：使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α，并使残余应力仪的对焦探针对焦在对应的测量点处；

本实施例的轮齿为摆线圆柱齿轮的轮齿，所述齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角的调节方法为：

31)将残余应力仪调节到设定位置处，并设检测射线光路与摄像头之间构成的平面为基准面；

32)调节轮齿，使轮齿齿面过所述测量点的啮合线与所述基准面垂直；

33)以与所述基准面平行或共面的平面为截面，驱动轮齿绕垂直于基准面的转轴旋转，或使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；

34)驱动轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转角度φ₁，或使截得的齿廓曲线在所述测量点处的切线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；

4)测量：利用残余应力仪测量该测量点所在的齿面区域的残余应力；本实施例的残余应力仪的型号为PROTO LXRD，α＝90°；

5)循环步骤2)至步骤4)，直至所有被选择的所述测量点均完成残余应力测量。

具体的，本实施例的所述轮齿为摆线轮齿，所述步骤34)中，所述轮齿为摆线轮齿，所述步骤34)中，轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转的旋转角度θ_l0为：

θ_l0＝θ_l+2πn

其中，其中，r₁为摆线曲线成形的滚动圆半径；

r为摆线曲线成形的产形点固接圆半径；

n为大于等于零的整数；

φ₁为代表测量点的未知量，其求解方程为：

其中，r_m＝r_d-r_dm，r_d为摆线圆柱齿轮的齿顶圆半径；r_dm为摆线圆柱齿轮的测量点M_b与轮齿齿顶面之间的距离。

本实施例的齿面残余应力测量方法，通过将轮齿沿齿根从齿轮上切下，如此，即可避免残余应力测量过程中，其他轮齿对残余应力仪的干涉，并具有以下优点：1)可快速方便地对焦；2)摄像头光路不会被遮挡，可对齿面的任意位置进行测量；3)衍射环光路也不会被其它轮齿遮挡，使测量结果更稳定；通过选择满足kd≤R条件的位置点为测量点，可有效提高测量精度。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种齿面残余应力测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)切齿：将待测齿面所在的轮齿沿其齿根切下；

2)确定测量点：在切下的轮齿的齿面上选择位置点，且当该位置点满足kd≤R时，视为该位置点所在的齿面区域为平面，则选择该位置点为测量点；其中，d为残余应力仪投射在对应位置点所在的齿面上的光斑的直径；R为齿面在该位置点处的曲率半径；k为系数，且k≥3；

3)调节：调节齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ，并将残余应力仪的摄像头对焦在对应测量点处；或调节齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α，并使残余应力仪的对焦探针对焦在对应的测量点处；

4)测量：利用残余应力仪测量该测量点所在的齿面区域的残余应力。

2.根据权利要求1所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：还包括步骤5)，循环步骤2)至步骤4)，直至所有被选择的所述测量点均完成残余应力测量。

3.根据权利要求1所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用线切割工艺将所述轮齿沿其齿根切下。

4.根据权利要求1-3任一项所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述轮齿为圆柱齿轮的轮齿，所述齿面在所述测量点处的切面与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角的调节方法为：

31)将残余应力仪调节到设定位置处，并设检测射线光路与摄像头之间构成的平面为基准面；

32)调节轮齿，使轮齿齿面过所述测量点的啮合线与所述基准面垂直，或使轮齿齿面过所述测量点的啮合线在该测量点处的切线与所述基准面垂直；

33)以与所述基准面平行或共面的平面为截面，驱动轮齿绕垂直于基准面的转轴旋转，使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ，或使所述截面在轮齿齿面上截得的齿廓曲线的对称线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α；

34)驱动轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转，使截得的齿廓曲线在所述测量点处的切线与残余应力仪的检测射线光路之间的夹角等于设定值γ；或使截得的齿廓曲线在所述测量点处的切线与残余应力仪的对焦探针之间的夹角等于设定值α。

5.根据权利要4所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿为渐开线轮齿，所述步骤34)中，轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转的旋转角度θ_j0为：

θ_j0＝θ_j+2πn

其中，m_j为渐开线圆柱齿轮的模数，z_j为渐开线圆柱齿轮的齿数，h_ja ^*为渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数，α_j为渐开线圆柱齿轮的压力角；n为大于等于零的整数；

r_jd为渐开线圆柱齿轮的齿顶圆半径，且r_jd＝(z_j+2h_ja ^*)m_j/2；

r_jb为渐开线圆柱齿轮的基圆半径，且r_jb＝(m_jz_jcosα_j)/2；

r_jdm为渐开线圆柱齿轮上的测量点M_j与轮齿齿顶面之间的距离。

6.根据权利要求4所述的齿面残余应力测量方法，其特征在于：所述轮齿为摆线轮齿，所述步骤34)中，轮齿绕垂直于所述基准面的转轴旋转的旋转角度θ_l0为：

θ_l0＝θ_l+2πn

其中，其中，r₁为摆线曲线成形的滚动圆半径；

r为摆线曲线成形的产形点固接圆半径；

n为大于等于零的整数；

φ₁为代表测量点的未知量，其求解方程为：

其中，r_m＝r_d-r_dm，r_d为摆线圆柱齿轮的齿顶圆半径；r_dm为摆线圆柱齿轮的测量点M_b与轮齿齿顶面之间的距离。