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齒輪表面完整性的無損檢測(cè)與殘余應(yīng)力分析技術(shù)
高 玉 魁
北京航空材料研究院高級(jí)工程師,北京81信箱5分箱 100095
丹麥科技大學(xué)可持續(xù)能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家,羅斯基迾,丹麥
摘要 齒輪在航空航天、石油機(jī)械、冶金化工等行業(yè)起著動(dòng)力傳遞的重要作用，隨著應(yīng)用環(huán)境和使用條件的苛刻要求，對(duì)其質(zhì)量可靠性和耐久性的要求也越來越高，因此齒輪表面完整性的檢測(cè)分析顯得更為重要和迫切。本文在闡述表面完整性的概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外最新的無損檢測(cè)技術(shù)，并評(píng)價(jià)了殘余應(yīng)力在壽命分析與剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)中的重要作用。
關(guān)鍵詞 齒輪；表面完整性；無損檢測(cè)；殘余應(yīng)力
一 引言
齒輪為動(dòng)力傳動(dòng)與能量輸出的關(guān)鍵零件，經(jīng)常承受交變的應(yīng)力、溫度變化等載荷作用，而且在服役過程中還需要考慮環(huán)境的影響，因此為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)分析齒輪零件的承載能力和使用壽命，需要測(cè)定分析其表面狀態(tài)和對(duì)表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑磁c強(qiáng)化，以改善其表面完整性和提高其質(zhì)量安全可靠性。
齒輪表面完整性的檢測(cè)分析技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，尤其是國(guó)外在新技術(shù)發(fā)展的同時(shí)研制了很多新的檢測(cè)設(shè)備與建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，這些發(fā)展對(duì)推動(dòng)其在齒輪上的應(yīng)用起著重要作用。本文旨在闡述表面完整性概念與內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹齒輪表面完整性的檢測(cè)技術(shù)，一方面以提高齒輪的表面質(zhì)量和耐久性，延長(zhǎng)其使用壽命和提供其可靠性，另一方面以推動(dòng)齒輪表面完整性檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，完善無損檢測(cè)技術(shù)和建立相應(yīng)的質(zhì)量體系。
二 齒輪表面完整性的概念與內(nèi)涵
表面完整性是在表面質(zhì)量、表面狀態(tài)觀念的基礎(chǔ)上為確保疲勞使用壽命和耐久性應(yīng)用性能而發(fā)展起來的新技術(shù)術(shù)語，指的是材料或構(gòu)件無損傷或經(jīng)強(qiáng)化的表面性能。從其概念可推出其內(nèi)涵包括了以下幾個(gè)重要方面[1-5]：
1）完整的幾何形狀與包絡(luò)層----加工紋路、波度、粗糙度等；
2）組織結(jié)構(gòu)的改善----晶粒細(xì)化、位錯(cuò)的組態(tài)、形變組織、相變組織等；
3）表層改性----形變強(qiáng)化、加工硬化、熱處理、化學(xué)熱處理、復(fù)合強(qiáng)化等；
4）力學(xué)與物理化學(xué)性能----殘余應(yīng)力、顯微硬度、電化學(xué)、電極電勢(shì)、腐蝕速率與電流等。
圖1示意出了由噴丸而引起的齒輪表面完整性變化情況與工程應(yīng)用潛力。
圖1 噴丸強(qiáng)化引起的表面完整性變化[1]
三 齒輪表面完整性的無損檢測(cè)方法
（1）表面燒傷的檢查
在機(jī)械類產(chǎn)品中，很多重要零部件如齒輪、軸承、曲軸、凸輪軸、活塞銷和萬向節(jié)等，需要經(jīng)過磨削加工。 磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)入零件的表面，容易引起金相組織的變化。在工藝參數(shù)、冷卻方法和磨料狀態(tài)選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，工件在磨削過程中極易出現(xiàn)金相組織變化層（即回火層），造成表面軟點(diǎn)，或伴隨出現(xiàn)表面殘余拉應(yīng)力，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，這就是所謂的磨削燒傷問題。對(duì)齒輪來說, 局部的表面燒傷將使該處硬度下降，產(chǎn)生拉應(yīng)力，降低了疲勞強(qiáng)度，裂紋容易萌生，從而造成齒輪表面的早期失效[6]。
長(zhǎng)期以來，對(duì)工件表面磨削燒傷的檢驗(yàn)，除了最簡(jiǎn)單的目測(cè)法外，就是采用已延續(xù)多年的傳統(tǒng)方法——酸洗法。該方法雖然簡(jiǎn)單易行，但有著很大的局限性。”BNA巴克豪森法” 是一種檢查零部件表面磨削燒傷的新方法，它能有效地對(duì)磨削燒傷進(jìn)行測(cè)試[7]。
齒輪表面燒傷將使產(chǎn)品性能和壽命大幅度地下降，甚至根本不能使用，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。為此，生產(chǎn)企業(yè)一方面通過執(zhí)行正確、科學(xué)的工藝規(guī)范，減輕和避免出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象；另一方面，也必須加強(qiáng)對(duì)零部件的檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格零件，并判斷正在進(jìn)行的磨削工藝的狀況。
磨削燒傷是一種微觀缺陷，不同于裂紋、夾渣、孔隙等傳統(tǒng)意義上的宏觀缺陷，采用普通的探傷、超聲波、渦流、磁粉等探傷手段無法檢測(cè)到。長(zhǎng)期以來，對(duì)齒輪表面磨削燒傷的檢驗(yàn)，除了最簡(jiǎn)單的目測(cè)法外，就是采用已延續(xù)多年的傳統(tǒng)方法——酸洗法，即在被檢零部件表面涂上酸液或?qū)⑵浣胧⒂邪匆?guī)定配制的酸液槽中。把工件取出后，根據(jù)表面呈現(xiàn)的不同顏色，對(duì)磨削燒傷的程度做出相應(yīng)的判斷。一般地說，若色澤沒有變化，就表明情況正常；而當(dāng)顏色變成灰色（見圖2），則說明已有燒傷情況存在，隨著色澤變得越來越深，表示齒輪表面因溫度更高，引起的磨削燒傷更為嚴(yán)重。
圖2 酸洗后的磨削燒傷
這種傳統(tǒng)的檢查方法雖然簡(jiǎn)單易行，但有著很大的局限性，如：齒輪表面經(jīng)酸液浸蝕，由于氫脆等原因即使無問題也無法再使用，所以是一種破壞性檢查。并且，酸洗法本質(zhì)上屬于定性檢查，難以對(duì)磨損燒傷程度做出定量的說明。因此，在采取傳統(tǒng)方法時(shí)，只能采用抽檢的方式，且樣本很小，欲對(duì)所執(zhí)行的工藝過程做出較確切的評(píng)價(jià)并予以改進(jìn)是很困難的。 理論表明，酸洗法檢驗(yàn)只能反映因金相組織結(jié)構(gòu)變化引起的齒輪表面硬度下降，而工件表面存在的殘余應(yīng)力則無法反映，故在全面揭示磨削燒傷的程度上顯得不足。
另外，由于使用了酸液，企業(yè)增加了消除環(huán)境污染的負(fù)擔(dān)；傳統(tǒng)檢查方法的規(guī)范化可靠性水平較低，更難以制定可操作性強(qiáng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。
近年來，利用巴克豪森（又稱BNA法、磁彈法）研制的測(cè)試儀器已在零部件表面磨削燒傷檢測(cè)中逐步得到應(yīng)用，并充分顯現(xiàn)出優(yōu)越性。磁彈法是以1919年發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)Barkhausen 效應(yīng)為基礎(chǔ)開發(fā)的一種測(cè)試方法，能有效地對(duì)磨削燒傷進(jìn)行測(cè)試。
眾所周知，出現(xiàn)磨削燒傷的那些零部件，主要由鐵磁性材料制成，在正常情況下，其磁序（體現(xiàn)在多晶體的磁疇結(jié)構(gòu)里）呈有規(guī)則的排列，但在磨削燒傷后產(chǎn)生的金相組織變化及可能出現(xiàn)的殘余應(yīng)力都將引起磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁序變化。Barkhausen效應(yīng)指出，矯頑（磁）力，即改變被顛倒極性所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度，是與鐵磁性材料晶格結(jié)構(gòu)錯(cuò)位和殘余應(yīng)力等的程度有關(guān)的。利用BNA法探測(cè)被檢零部件表面磨削燒傷的機(jī)理就在于此。
磨削燒傷的物理表現(xiàn)主要是因表面金相組織結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的回火層所引起的硬度下降，以及在表面出現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力，檢測(cè)儀器對(duì)它們都能做出敏感的反映，見圖3所示。圖3a中的橫坐標(biāo)表示硬度值Rc，而縱坐標(biāo)表示輸出的B信號(hào)幅值。隨著被檢工件表面硬度值Rc由高向低變化，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)的B信號(hào)幅值將由小到大，即硬度低對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)高，硬度高對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)低。儀器對(duì)表面殘余應(yīng)力的反應(yīng)見圖3b，從中可見當(dāng)殘余應(yīng)力由小到大，即由負(fù)（壓應(yīng)力）向正（拉應(yīng)力）變化時(shí)，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)的B信號(hào)幅值A(chǔ)mplitude將由低向高變化。
圖3 檢測(cè)信號(hào)與硬度、殘余應(yīng)力關(guān)系的示意圖
上述由儀器特殊設(shè)計(jì)的激磁電路和傳感裝置產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，乃是Barkhausen磁彈效應(yīng)的一種量化表達(dá)，以特征值mp（magnetoelastic parameter）標(biāo)志。mp與被檢測(cè)工件表面的變異狀態(tài)成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。但利用mp來反映工件磨削燒傷的程度從本質(zhì)上來說是一種比較測(cè)量的方式，為了能夠真正地對(duì)其做準(zhǔn)確的定量描述，還必須解決“定標(biāo)”的問題。
定標(biāo)包括二項(xiàng)內(nèi)容：1)確定不合格品界限。有目的地制作一批樣品，其中包括有一些磨削燒傷程度不同的工件，利用酸洗法按用戶的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它們做出不同的判斷后，將介于合格/不合格臨界狀態(tài)的若干工件通過儀器求得相應(yīng)的mp值，然后取其平均值作為不合格的界限。2)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)就是找出特征值mp與采用酸洗法確認(rèn)的磨削燒傷程度之間的相關(guān)性。在汽車行業(yè)中，不少場(chǎng)合都可以采用這種以BNA法為基礎(chǔ)研制的磨削燒傷測(cè)試儀器，其中，對(duì)齒輪零部件的檢測(cè)是應(yīng)用最多的，具有手動(dòng)、半自動(dòng)和機(jī)器人全自動(dòng)三種類型的檢測(cè)設(shè)備，分別見圖4、圖5和圖6。
圖4 手動(dòng)檢測(cè)齒輪磨削燒傷
圖5 半自動(dòng)齒輪磨削燒傷測(cè)試儀
圖6 機(jī)器人全自動(dòng)齒輪磨削燒傷檢測(cè)系統(tǒng)
（2）表面粗糙度的檢查
無論是機(jī)械加工還是表面強(qiáng)化，對(duì)表面狀態(tài)都有很大的改變，其中表面粗糙度是比較重要的工藝控制參數(shù)，一方面是因?yàn)榇植诙扔绊懫谛阅?，另一方面是粗糙度還影響潤(rùn)滑和接觸應(yīng)力以及磨損等使用性能，因此需要控制齒輪機(jī)械加工和表面強(qiáng)化的表面粗糙度。表面粗糙度的檢測(cè)多在實(shí)驗(yàn)室采用輪廓儀來進(jìn)行測(cè)定，目前也有很多便攜手提式的粗糙度檢測(cè)儀，非常方便在工程上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，而且精度也多數(shù)能夠使用要求。
（3）殘余應(yīng)力的檢查
殘余應(yīng)力是影響齒輪使用性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，測(cè)定殘余應(yīng)力的方法很多，但在工程上應(yīng)用最普遍精度較高的方法是X射線衍射和中子衍射應(yīng)力分析技術(shù)[8,9]，而且該技術(shù)已被國(guó)際認(rèn)可和具有國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來確保測(cè)定的精度。測(cè)定設(shè)備和配套儀器都比較完善，如圖7所示的設(shè)備已在國(guó)外齒輪行業(yè)被用來測(cè)定齒輪根部的殘余應(yīng)力。
圖7 齒輪根部殘余應(yīng)力的測(cè)定
殘余應(yīng)力的測(cè)試已由有損的鉆孔法發(fā)展到無損的衍射分析，并在德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)以及瑞典等國(guó)家得到推廣應(yīng)用，目前這些國(guó)家都具備了齒輪的殘余應(yīng)力場(chǎng)無損檢測(cè)新技術(shù)與設(shè)備----中子衍射分析技術(shù)與中子散射儀。殘余應(yīng)力場(chǎng)的定量測(cè)定技術(shù)與分析是齒輪零件壽命分析與剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是延長(zhǎng)其使用壽命和提供其可靠性的關(guān)鍵[10,11]。
（4）表層硬度分布的檢查
齒輪的表層硬度對(duì)于其彎曲疲勞和接觸疲勞性能都具有重要影響，如何準(zhǔn)確精確測(cè)定表層的硬度與其梯度發(fā)布是材料學(xué)科研究和齒輪工程應(yīng)用都必須解決的問題。硬度的測(cè)定有很多方法，但工程中常用的是顯微硬度的測(cè)定方法，如維氏和洛氏硬度，必要時(shí)也采用納米壓痕方法來研究表層局部的硬度特性尤其是脫碳層和白亮層的硬度分布梯度。
四 結(jié)束語
齒輪是動(dòng)力傳遞的重要零部件，進(jìn)一步開展齒輪領(lǐng)域的最新無損檢測(cè)技術(shù)研究，建立其檢測(cè)新方法標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)齒輪領(lǐng)域的檢測(cè)科技創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研究結(jié)合具有重要作用，期望國(guó)內(nèi)同行能夠共同努力，為提升我國(guó)齒輪高新產(chǎn)品質(zhì)量和創(chuàng)造國(guó)家國(guó)際品牌做出貢獻(xiàn)。
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