凯发国际娱乐官网入口 噴丸強化齒輪殘余應力的實驗研究

摘要：噴丸能有效增加輪齒表面層的殘余壓應力,提高齒輪接觸疲勞強度。本文通過X射線殘余應力測試法,針對齒輪在噴丸前后和服役過程中輪齒表面層的 殘余應力變化進行實驗研究,尤其探討了齒廓表面不同部位殘余應力在疲勞加載后的變化,并分析其變化的規律性,為提高輪齒噴丸疲勞強度提供依據。
關鍵詞：殘余應力;噴丸強化;齒輪。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理

1引言
噴丸強化能使表面層產生一定的塑性變形,形成有利的殘余壓應力場,可以有效地提高表面層接觸疲勞承載能力川。這種承載能力的提高在齒輪表面接觸疲勞設計中存在許多有待解決的問題,如傳統法將噴丸后殘余壓應力使承載能力的提高作為一不變量疊加在應力分析之中,而忽略了殘余應力在外載作用下的不穩定性的影響2[,3〕。本文通過 x射線殘余應力測試法,針對齒輪在噴丸前后和服役過程中輪齒表面層的殘余應力變化進行實驗研究,尤其探討了齒廓表面不同部位殘余應力在疲勞加載下的變化,并分析其變化的規律性,為提高輪齒噴丸疲勞強度提供依據。

2實驗過程
2.1齒輪和噴丸
本實驗齒輪材料分別采用國產2CrNO[和美國EX24兩種材料。齒輪的熱處理工藝為滲碳+淬火或滲碳十淬火+噴丸。齒輪為一配對弧齒錐齒輪,其具體結構和所測殘余應力點的位置如圖1所示。對配對的大、小齒輪主要采用0.18C的高強度噴丸進行,利用0.25A普通噴丸強度法進行對比分析。
2.2測試部位和測試方法
2.2.1測試部位
齒輪的測試部位主要選擇齒廓大、中、小端的齒根和齒槽,而齒根是齒廓接觸面根部臺階上部,齒槽是齒根臺階下過渡弧底部。對齒廓具體測試部位,選擇齒向和垂直向進行殘余應力測試,如圖1所示

圖1弧齒錐齒輪齒廓結構

測試內容主要對未噴丸、高強度噴丸、一般噴丸及試驗后等的殘余應力進行實驗研究,具體內容與標注說明為:未噴丸、已試驗過N大齒輪—N試驗大;未噴丸、已試驗過N小齒輪—N試驗小;已噴丸、未試驗過N小齒輪—N噴丸小;一般性噴丸、未試驗過F小齒輪—F普噴丸小;未噴丸、未試驗過F大齒輪—F未噴丸小;未試驗、美國EX24、原件小齒輪—D小;未試驗、美國Ex24、原件大齒輪—D大;未試驗、未噴丸小齒輪—N未噴小。除D型齒輪外其余均用國產2CrMo材料加工成。
2.2.2測試方法
選用X射線應力儀測試殘余應力,測取方法通過n測角儀和重測角儀兩種方法綜合分析,測試設備為日本2905X射線應力儀;射線管電壓為30kV;射線管電流為gn習氣;射線產生方式為采用Cr靶;測試執行標準為GB7704一87。

3實驗結果及分析
3.1實驗結果
根據齒輪失效的形式,本試驗將重點測試齒廓中段齒根的殘余應力。為了準確掌握噴丸工藝對齒輪應力狀態的影響,分別測試了相同條件下的噴丸、一般噴丸及未噴丸三種齒輪的齒根的殘余應力;由于齒輪在加載嚙合后嚙合點有向大端移動的趨勢,部分完成了齒輪的大端齒根殘余應力測試。測試點的具體部位和結果見表1

表1齒輪殘余應力測試結果記錄



3.2測試結果分析
3.2.1垂直向分析
齒根垂直向殘余應力的類型和大小對輪齒的承載能力有著重大影響。圖2是各試件齒廓齒根垂直向殘余應力的測試結果,5、6、7、8號試件分別表示N噴丸小齒輪、N未噴丸小齒輪、F未噴丸大齒輪、F普噴小齒輪的殘余應力。測試結果表明:噴丸齒輪大、中、小端齒根的殘余壓應力遠比未噴丸的大,N噴丸小齒輪和F普噴小齒輪的殘余應力無明顯的差別。N未噴丸小齒輪和F未噴丸大齒輪的殘余應力無明顯差別。
另外,從這些試件的大、中、小段殘余應力測試結果看,中段齒根垂直向殘余應力普遍明顯大于大、小端齒根垂直向的(F未噴丸大齒輪幾乎接近)殘余應力。
3、4號試件分別表示N試驗小和N試驗大齒輪,其齒廓中段齒根垂直向殘余應力均為壓殘余應力。DANA大小齒輪齒根垂直向的殘余應力分別表現為壓應力和拉應力,分散性較大。

圖2齒根垂直向殘余應力測試結果

3.2.2齒向分析

齒根殘余應力狀態由其垂直向和齒向的殘余應力決定,圖3為各試件齒廓中段齒根齒向殘余應力測試結果。其殘余應力狀態均表現為壓殘余應力狀態;使用過或試驗過的齒輪(2、3、4號試件)中段齒根齒向殘余應力多為偏大的趨勢(DANA小不明顯),這可能是由于載荷作用后使其殘余應力轉移的緣故;未使用或未試驗過的齒輪齒根齒向殘余應力,對噴丸的與未噴丸的和普噴丸的無明顯差別(7號試件稍低點)。

圖3齒根齒向殘余應力

3.2.3齒向和垂直向殘余應力比較圖4為各試件齒廓中段齒根垂直方向和齒向反向的殘余應力測試結果對比圖,可以發現未噴丸齒向殘余應力普遍大于垂直向殘向應力,如6、7號試件。通過噴丸后,垂直方向的殘余壓應力大大提高,并且均高于其相應的齒向殘余壓應力,如5、8號試件。另外,對于使用過或試驗過的齒輪,其齒向仍為壓殘余應力,垂直向的普遍降低(3號試件不明顯)。

圖4齒根中段殘余應力

3.3測試精度分析
為了考察測試儀器對本齒輪試件的實際測試精度,在不考慮測試方向與切割面刀具走向關系的條件下,隨機測試了DANA小齒輪試件切割面的三個不同點,時間分別相隔1小時和半小時,見表1中序號4、5、6的測試結果,其精度扣除測試方向的影響約為+/一20MPa,可以滿足工程測試的要求。
此外,表1中N試驗小齒槽中部垂直向殘余應力為0,可能是測點接近切割面應力松弛的緣故;N噴丸小齒廓小端齒根的應力測了兩次,兩次測試應力不同的原因可能是由于小端齒廓曲率大,造成測試數據有大的分散性,后者為一136Ml〕a應是合理的。

4結論
(1)噴丸試件的殘余應力比未噴丸試件的殘余應力大,建議在齒輪制造中采用噴丸工藝來提高齒輪的承載能力;
(2)噴丸后齒廓中部齒根垂直向殘余應力比齒廓大、小端齒根垂直向殘余應力明顯增大,這有利于改善齒廓中部的承載能力,且大端比小端的大,也滿足齒輪嚙合承載向大端移動趨勢要求;
(3)使用或試驗對齒廓齒根兩向殘余應力有明顯影響,垂直向有降低的趨勢,而齒向仍為壓殘余應力,但與未噴丸齒輪的齒向相比較有所提高。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
(4)噴丸不僅使齒廓表面的殘余壓應力有所提高,更重要的是改善了齒廓面層殘余應力場的分布,本次試驗僅僅測試了齒廓根部表面上的殘余應力,未測試沿層深的分布狀態。而后者往往關系到齒輪能承受多的載荷、以及噴丸工藝是否合理等,因此,建議以后進一步完成此測試齒根殘余應力狀態由其垂直向和齒向的殘余