齿轮表面完整性的无损检测与残余应力分析技术

齿轮表面完整性的无损检测与残余应力分析技术
高玉魁

北京航空材料研究院高级工程师,北京81信箱5分箱  100095
丹麦科技大学可持续能源国家实验室科学家,罗斯基迾,丹麦
摘要  齿轮在航空航天、石油机械、冶金化工等行业起着动力传递的重要作用，随着应用环境和使用条件的苛刻要求，对其质量可靠性和耐久性的要求也越来越高，因此齿轮表面完整性的检测分析显得更为重要和迫切。本文在阐述表面完整性的概念和内涵的基础上，重点介绍了国内外最新的无损检测技术，并评价了残余应力在寿命分析与剩余强度评价中的重要作用。
关键词  齿轮；表面完整性；无损检测；残余应力

一引言
齿轮为动力传动与能量输出的关键零件，经常承受交变的应力、温度变化等载荷作用，而且在服役过程中还需要考虑环境的影响，因此为了准确评价分析齿轮零件的承载能力和使用寿命，需要测定分析其表面状态和对表面进行适当的清洗与强化，以改善其表面完整性和提高其质量安全可靠性。
齿轮表面完整性的检测分析技术近年来发展非常迅速，尤其是国外在新技术发展的同时研制了很多新的检测设备与建立了相应的标准体系，这些发展对推动其在齿轮上的应用起着重要作用。本文旨在阐述表面完整性概念与内涵的基础上，重点介绍齿轮表面完整性的检测技术，一方面以提高齿轮的表面质量和耐久性，延长其使用寿命和提供其可靠性，另一方面以推动齿轮表面完整性检测技术的发展，完善无损检测技术和建立相应的质量体系。

二齿轮表面完整性的概念与内涵
    表面完整性是在表面质量、表面状态观念的基础上为确保疲劳使用寿命和耐久性应用性能而发展起来的新技术术语，指的是材料或构件无损伤或经强化的表面性能。从其概念可推出其内涵包括了以下几个重要方面[1-5]：
1）完整的几何形状与包络层----加工纹路、波度、粗糙度等；
2）组织结构的改善----晶粒细化、位错的组态、形变组织、相变组织等；
3）表层改性----形变强化、加工硬化、热处理、化学热处理、复合强化等；
4）力学与物理化学性能----残余应力、显微硬度、电化学、电极电势、腐蚀速率与电流等。
图1示意出了由喷丸而引起的齿轮表面完整性变化情况与工程应用潜力。
图1 喷丸强化引起的表面完整性变化[1]

三齿轮表面完整性的无损检测方法
   （1）表面烧伤的检查
在机械类产品中，很多重要零部件如齿轮、轴承、曲轴、凸轮轴、活塞销和万向节等，需要经过磨削加工。磨削时产生的热量会进入零件的表面，容易引起金相组织的变化。在工艺参数、冷却方法和磨料状态选择不当的情况下，工件在磨削过程中极易出现金相组织变化层（即回火层），造成表面软点，或伴随出现表面残余拉应力，甚至导致出现裂纹，这就是所谓的磨削烧伤问题。对齿轮来说, 局部的表面烧伤将使该处硬度下降，产生拉应力，降低了疲劳强度，裂纹容易萌生，从而造成齿轮表面的早期失效[6]。
长期以来，对工件表面磨削烧伤的检验，除了最简单的目测法外，就是采用已延续多年的传统方法——酸洗法。该方法虽然简单易行，但有着很大的局限性。”BNA巴克豪森法” 是一种检查零部件表面磨削烧伤的新方法，它能有效地对磨削烧伤进行测试[7]。
齿轮表面烧伤将使产品性能和寿命大幅度地下降，甚至根本不能使用，造成严重的质量问题。为此，生产企业一方面通过执行正确、科学的工艺规范，减轻和避免出现磨削烧伤现象；另一方面，也必须加强对零部件的检验，及时发现不合格零件，并判断正在进行的磨削工艺的状况。
磨削烧伤是一种微观缺陷，不同于裂纹、夹渣、孔隙等传统意义上的宏观缺陷，采用普通的探伤、超声波、涡流、磁粉等探伤手段无法检测到。长期以来，对齿轮表面磨削烧伤的检验，除了最简单的目测法外，就是采用已延续多年的传统方法——酸洗法，即在被检零部件表面涂上酸液或将其浸入盛有按规定配制的酸液槽中。把工件取出后，根据表面呈现的不同颜色，对磨削烧伤的程度作出相应的判断。一般地说，若色泽没有变化，就表明情况正常；而当颜色变成灰色（见图2），则说明已有烧伤情况存在，随着色泽变得越来越深，表示齿轮表面因温度更高，引起的磨削烧伤更为严重。

酸洗后的磨削烧伤
这种传统的检查方法虽然简单易行，但有着很大的局限性，如：齿轮表面经酸液浸蚀，由于氢脆等原因即使无问题也无法再使用，所以是一种破坏性检查。并且，酸洗法本质上属于定性检查，难以对磨损烧伤程度做出定量的说明。因此，在采取传统方法时，只能采用抽检的方式，且样本很小，欲对所执行的工艺过程作出较确切的评价并予以改进是很困难的。理论表明，酸洗法检验只能反映因金相组织结构变化引起的齿轮表面硬度下降，而工件表面存在的残余应力则无法反映，故在全面揭示磨削烧伤的程度上显得不足。
另外，由于使用了酸液，企业增加了消除环境污染的负担；传统检查方法的规范化可靠性水平较低，更难以制定可操作性强的评定标准。
近年来，利用巴克豪森（又称BNA法、磁弹法）研制的测试仪器已在零部件表面磨削烧伤检测中逐步得到应用，并充分显现出优越性。磁弹法是以1919年发现的物理学Barkhausen 效应为基础开发的一种测试方法，能有效地对磨削烧伤进行测试。
众所周知，出现磨削烧伤的那些零部件，主要由铁磁性材料制成，在正常情况下，其磁序（体现在多晶体的磁畴结构里）呈有规则的排列，但在磨削烧伤后产生的金相组织变化及可能出现的残余应力都将引起磁畴结构内的磁序变化。Barkhausen效应指出，矫顽（磁）力，即改变被颠倒极性所需要的磁场强度，是与铁磁性材料晶格结构错位和残余应力等的程度有关的。利用BNA法探测被检零部件表面磨削烧伤的机理就在于此。
磨削烧伤的物理表现主要是因表面金相组织结构变化而产生的回火层所引起的硬度下降，以及在表面出现的残余拉应力，检测仪器对它们都能作出敏感的反映，见图3所示。图3a中的横坐标表示硬度值Rc，而纵坐标表示输出的B信号幅值。随着被检工件表面硬度值Rc由高向低变化，检测仪器输出的相应的B信号幅值将由小到大，即硬度低对应的检测信号高，硬度高对应的检测信号低。仪器对表面残余应力的反应见图3b，从中可见当残余应力由小到大，即由负（压应力）向正（拉应力）变化时，检测仪器输出的相应的B信号幅值Amplitude将由低向高变化。
检测信号与硬度、残余应力关系的示意图
上述由仪器特殊设计的激磁电路和传感装置产生的检测信号，乃是Barkhausen磁弹效应的一种量化表达，以特征值mp（magnetoelastic parameter）标志。mp与被检测工件表面的变异状态成比例，其数值能在仪器的屏幕上显示、输出。但利用mp来反映工件磨削烧伤的程度从本质上来说是一种比较测量的方式，为了能够真正地对其做准确的定量描述，还必须解决“定标”的问题。
    定标包括二项内容：1)确定不合格品界限。有目的地制作一批样品，其中包括有一些磨削烧伤程度不同的工件，利用酸洗法按用户的评定标准对它们作出不同的判断后，将介于合格/不合格临界状态的若干工件通过仪器求得相应的mp值，然后取其平均值作为不合格的界限。2)进行校准。校准就是找出特征值mp与采用酸洗法确认的磨削烧伤程度之间的相关性。在汽车行业中，不少场合都可以采用这种以BNA法为基础研制的磨削烧伤测试仪器，其中，对齿轮零部件的检测是应用最多的，具有手动、半自动和机器人全自动三种类型的检测设备
手动检测齿轮磨削烧伤
半自动齿轮磨削烧伤测试仪        机器人全自动齿轮磨削烧伤检测系统
（2）表面粗糙度的检查
   无论是机械加工还是表面强化，对表面状态都有很大的改变，其中表面粗糙度是比较重要的工艺控制参数，一方面是因为粗糙度影响疲劳性能，另一方面是粗糙度还影响润滑和接触应力以及磨损等使用性能，因此需要控制齿轮机械加工和表面强化的表面粗糙度。表面粗糙度的检测多在实验室采用轮廓仪来进行测定，目前也有很多便携手提式的粗糙度检测仪，非常方便在工程上进行现场测定，而且精度也多数能够使用要求。
（3）残余应力的检查
   残余应力是影响齿轮使用性能的关键参数之一，测定残余应力的方法很多，但在工程上应用最普遍精度较高的方法是X射线衍射和中子衍射应力分析技术[8,9]，而且该技术已被国际认可和具有国内外标准来确保测定的精度。测定设备和配套仪器都比较完善，如图7所示的设备已在国外齿轮行业被用来测定齿轮根部的残余应力。
图7  齿轮根部残余应力的测定
    残余应力的测试已由有损的钻孔法发展到无损的衍射分析，并在德国、法国、美国以及瑞典等国家得到推广应用，目前这些国家都具备了齿轮的残余应力场无损检测新技术与设备----中子衍射分析技术与中子散射仪。残余应力场的定量测定技术与分析是齿轮零件寿命分析与剩余强度评价的基础，是延长其使用寿命和提供其可靠性的关键[10,11]。

（4）表层硬度分布的检查
   齿轮的表层硬度对于其弯曲疲劳和接触疲劳性能都具有重要影响，如何准确精确测定表层的硬度与其梯度发布是材料学科研究和齿轮工程应用都必须解决的问题。硬度的测定有很多方法，但工程中常用的是显微硬度的测定方法，如维氏和洛氏硬度，必要时也采用纳米压痕方法来研究表层局部的硬度特性尤其是脱碳层和白亮层的硬度分布梯度。

四结束语
齿轮是动力传递的重要零部件，进一步开展齿轮领域的最新无损检测技术研究，建立其检测新方法标准体系，对推动和促进齿轮领域的检测科技创新和产学研究结合具有重要作用，期望国内同行能够共同努力，为提升我国齿轮高新产品质量和创造国家国际品牌作出贡献。
参考文献
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