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齒輪制造涉及許多有意或無(wú)意影響關(guān)鍵表面殘余應力狀態(tài)的過(guò)程。應力，包括來(lái)自加工的殘余應力，是可交換的，壓縮應力通常會(huì )提高疲勞壽命和裂紋萌生，而拉伸應力則相反。因此，齒輪設計者和制造商通常需要在關(guān)鍵幾何形狀(例如輪齒和齒根)的表面處施加殘余壓縮應力。

　　噴丸驗證

　　噴丸強化是齒輪制造中用于增加壓縮應力量并因此增加齒輪的疲勞壽命的常用工藝。噴丸強化通常應用于根部區域，包括用硬“噴丸”對部件表面進(jìn)行噴丸處理(圖 1)。組件的薄層變形和壓縮，而核心或深層地下體積抵抗這種壓縮(圖 2)。

圖 1 - 噴丸強化涉及用硬“噴丸”對部件表面進(jìn)行噴砂處理。

　　

圖 2 -噴丸處理會(huì )產(chǎn)生一層薄薄的壓縮殘余應力。

　　這個(gè)過(guò)程的結果是從表面到通常幾百微米深的某個(gè)深度產(chǎn)生一層壓縮應力(圖 3)。

圖 3 - 噴丸處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力可能有幾百微米深。

　　有多種方法可以驗證噴丸工藝，包括阿爾門(mén)試紙測試、視覺(jué)分析(包括使用示蹤染料)和直接測量誘導應力。正是后一種方法，即誘導應力的測量，提供了可行的客觀(guān)測量，可以與設計和建模階段的預期值進(jìn)行比較。測量應力的Z佳和Z標準化的方法是 X射線(xiàn)衍射 (XRD)。

　　殘余應力的 XRD 不是一種新方法，也不是人們關(guān)注的方法。它是一種定量的、標準化的方法，沒(méi)有真正的同類(lèi)方法，尤其是在非破壞性測量時(shí)(測量地下應力需要去除層)。XRD 方法有一些局限性，因為它可能昂貴、耗時(shí)和/或需要昂貴的樣品制備。測量可能需要幾分鐘到幾小時(shí)，具體取決于光斑大小和使用的設備。然而，技術(shù)的代際飛躍已經(jīng)改變了這一點(diǎn)，現在可以在幾秒鐘內完成測量。

　　Stresstech Xstress DR45 系統(圖 4)采用Z先進(jìn)的檢測器技術(shù)，足夠靈敏，可以使以前緩慢的測量變得快如閃電，或者以前困難的測量變得容易。DR45 使用高靈敏度 2D 探測器，測量速度非?？?，甚至無(wú)需停止移動(dòng)即可收集衍射數據。

圖 4—Stresstech Xstress DR45 系統。

　　為測量殘余應力而定制的傳統衍射儀，包括 Stresstech 之前的產(chǎn)品，通常使用一維探測器。使用具有更高靈敏度的更現代的 2D 檢測器可以在相同的時(shí)間內收集更多的衍射數據，高達 100 倍。2D Debye-Scherrer 環(huán)的截面被整合到 1D 強度光譜中，用于應變測定(圖 5)。

圖 5——使用 2D 檢測器可以收集更多的衍射數據。

　　除了提高系統的靈敏度和速度外，Xstress DR45 采用的二維檢測方法還結合了二維檢測系統的優(yōu)勢，例如緩解紋理或大晶粒等困難衍射條件，以及高質(zhì)量和值得信賴(lài)的結果。 sin2ψ 方法。除此之外，速度的多個(gè)數量級提高允許一些真正改變游戲規則的能力：連續運動(dòng)測量(或掃描模式)。

　　使用久經(jīng)考驗的 sin2ψ 方法的衍射系統始終遵循標準操作順序(或標準模式，如圖 6 所示)： 1，將 X 射線(xiàn)入射光束和探測器移動(dòng)到位置;2、對樣品進(jìn)行入射X射線(xiàn)照射，用探測器采集衍射數據;3、根據需要重復1-2，以滿(mǎn)足EN15305等測量規范。

圖 6 - 標準模式 X射線(xiàn)衍射系統使用耗時(shí)的單個(gè)掃描序列。

　　Xstress DR45 上檢測系統的速度允許衍射儀在移動(dòng)時(shí)收集“快照”，就像視頻幀一樣(圖 7)。

圖 7—Xstress DR45 能夠連續掃描，大大提高了檢測速度。

　　結果是總測量速度比 Xstress DR45 提供的已經(jīng)很快的標準模式速度有了很大提高。直徑為 1mm 或更大的點(diǎn)的測量在 5 秒內完成?？稍诙潭?20 秒內對直徑小于 0.5 毫米的點(diǎn)進(jìn)行測量。這些速度開(kāi)啟了對齒輪齒或齒根進(jìn)行噴丸驗證的可能性，其速度足以跟上大批量環(huán)境中的生產(chǎn)。

　　磨削燒傷檢測

　　磨削是齒輪制造中的關(guān)鍵步驟，它經(jīng)常向制造商提出一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在不產(chǎn)生磨削燒傷的情況下，我可以磨削多快?更快的循環(huán)時(shí)間總是需要的，但更大的進(jìn)給、輪速等會(huì )導致更多的能量或熱量沉積到工件中(圖 8)。

圖 8 - 激進(jìn)的進(jìn)給和速度會(huì )導致磨削燒傷。

　　當工件在磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大到足以作為回火過(guò)程，或者在更高溫度的情況下，對受影響的表面進(jìn)行重新熱處理時(shí)，就會(huì )發(fā)生磨削燒傷。這種局部熱事件的結果是微觀(guān)結構的轉變，與熱處理過(guò)程中發(fā)生的情況非常相似。受影響的材料體積從理想的微觀(guān)結構(例如回火馬氏體)轉變?yōu)檫^(guò)度回火馬氏體(或較軟的鐵素體等)和未回火馬氏體的混合物。轉變后的微結構具有不同的密度，但被擠入先前由所需微結構占據的相同空間中，然后必須被壓縮和/或拉開(kāi)以適合。這種壓縮或拉伸表現為材料中的殘余應力。

　　檢測磨削燒傷的傳統方法是酸洗法工藝。酸洗法涉及將材料表面暴露于不同的化學(xué)物質(zhì)，包括硝酸和酒精和鹽酸。該工藝利用了差異溶解，其中硝酸乙醇混合物以不同的方式攻擊鐵素體、滲碳體等相。結果是在理想的回火馬氏體微觀(guān)結構與由磨削燒傷產(chǎn)生的不理想的過(guò)度回火或未回火之間存在一些視覺(jué)對比。

　　雖然它是一種使用了數十年的傳統方法，但 酸洗法工藝有一些缺點(diǎn)：它是主觀(guān)的，需要從業(yè)者解釋文字的灰色陰影;它需要使用可能具有危險性的化學(xué)品，通常具有非平凡的處理和處置要求;在大多數情況下，它具有破壞性，因為酸洗法表面可能不適合在使用中使用。酸洗法工藝固有的另一個(gè)限制是它對應力不敏感——它的作用機制是揭示轉變的微觀(guān)結構。在粗加工過(guò)程中發(fā)生磨削燒傷的情況下，僅通過(guò)精加工過(guò)程進(jìn)行部分清理，酸洗法工藝在顯示部分清理的轉變產(chǎn)物方面可能無(wú)效。盡管轉化層的部分清理，地下拉伸應力通常仍然存在。這種“隱藏”的燒傷使組件容易出現早期故障。通過(guò)磨削引起的應力通常在表面以下 20-50 微米處達到峰值。在磨削過(guò)程中部分清理磨削燒傷的情況下，通常會(huì )保留一個(gè)表面下的拉伸峰值(圖 9)。

圖 9——酸洗法有時(shí)會(huì )遺漏某些形式的磨削燒傷。

　　檢測磨削燒傷的另一種方法是磁巴克豪森噪聲 (BN)。這是一種可重復的、客觀(guān)的非破壞性測量(圖 10)。此外，BN 對測量體積中的應力和微觀(guān)結構都很敏感，因此非常適合在部分清理的情況下檢測磨削燒傷。

圖 10 - 磁性巴克豪森噪聲分析是檢測磨削燒傷的替代方法。

　　Stresstech 的 Rollscan Barkhausen 噪聲分析儀接收 BN 信號并將其減少到實(shí)時(shí)測量的單個(gè)數字。這允許用戶(hù)手動(dòng)或通過(guò)自動(dòng)化在表面上遍歷 BN 傳感器，并獲得實(shí)時(shí)測量甚至表面圖。

　　自動(dòng)化系統的編程方式與分析齒輪檢查器相同，能夠利用Stresstech 的EasyGear 軟件將側面的表面映射到應用所需的空間分辨率水平(圖11)。齒輪齒面和齒根，以及各種其他表面，例如面、外徑和內徑，都可以用 MBN 儀器測量(圖 12)。

圖 11—Stresstech EasyGear 軟件，用于自動(dòng)齒輪測試的編程。

　　

圖—12 MBN 儀器可以測量齒輪齒面、齒根、面、外徑和內徑。

　　根據要檢查的表面的幾何形狀，有時(shí)需要定制傳感器。例如，齒輪側面和齒輪根部通常使用專(zhuān)用傳感器進(jìn)行測量，這些傳感器有助于傳感器接觸感興趣的區域(圖 13)。

圖 13 - 可以使用定制傳感器，具體取決于要測量的表面。

　　在更復雜的幾何形狀(例如準雙曲面齒輪)的情況下，使用自定義傳感器，并沿逐點(diǎn)生成的復雜曲線(xiàn)生成傳感器運動(dòng)路徑(圖 14)。

　　圖 14——復雜的幾何形狀可以通過(guò)特殊的傳感器和傳感器路徑的逐點(diǎn)控制來(lái)適應。

　　測量序列的結果是一系列掃描或繪圖，類(lèi)似于分析齒輪檢查器的輸出。較低且更一致的測量值，基本上是平面掃描，通常出現在沒(méi)有磨傷的可接受部件中(參見(jiàn)圖 15 中的綠線(xiàn))。在存在研磨燒傷的情況下，MBN 信號會(huì )增加(參見(jiàn)圖 15 中的紅線(xiàn))。

圖 15 - 在此圖表中，紅線(xiàn)表示 MBN 信號增加，表示存在磨削燒傷。

　　以不同直徑執行的每個(gè)側面的多次掃描或通過(guò)，可以組合成一個(gè)表面圖。這提供了 Nital-etch 用戶(hù)習慣于看到的視覺(jué)指示類(lèi)型，并具有客觀(guān)、可重復值的額外好處(圖 16)。

圖 16 每個(gè)側面的多次掃描或通過(guò)可以組合成一個(gè)表面圖。

　　通過(guò)將相對 MBN 值與 XRD 等定量方法進(jìn)行比較，可以將 BN 值與上下文相關(guān)聯(lián)，并制定適當的拒絕/接受標準。制定拒絕標準的常用方法是將 BN 值與通過(guò) XRD 測量的Z大地下應力進(jìn)行比較，類(lèi)似于 SAE ARP4462b 中的推薦做法。這種比較允許用戶(hù)選擇對應于地下拉伸應力的 BN 值限制，或根據應用和被測組件的設計要求的一些其他限制(圖 17)。

圖 17 MBN 掃描的數據可以根據簡(jiǎn)單的拒絕/接受標準顯示，以便于評估。

　　結論

　　齒輪對許多傳統的破壞性和非破壞性測試方法提出了挑戰。在殘余應力至關(guān)重要的情況下，如噴丸齒輪，通過(guò) XRD 驗證噴丸工藝可以足夠快地跟上您的生產(chǎn)。在使用 Xstress DR45 等Z先進(jìn)的儀器時(shí)尤其如此。

　　幾乎所有精密應用中的齒輪都有磨削齒面。有時(shí)它們也有地根。使用磁性巴克豪森噪聲可以實(shí)現以Z大靈敏度和可重復性檢測這些表面上的磨削燒傷，同時(shí)避免代價(jià)高昂的廢料。此外，該方法可以完全自動(dòng)化，為過(guò)程控制提供可測量的反饋。