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齒輪表面完整性的無損檢測與殘余應力分析技術
高 玉 魁
北京航空材料研究院高級工程師,北京81信箱5分箱 100095
丹麥科技大學可持續(xù)能源國家實驗室科學家,羅斯基迾,丹麥
摘要 齒輪在航空航天、石油機械、冶金化工等行業(yè)起著動力傳遞的重要作用，隨著應用環(huán)境和使用條件的苛刻要求，對其質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涵的基礎上，重點介紹了國內外最新的無損檢測技術，并評價了殘余應力在壽命分析與剩余強度評價中的重要作用。
關鍵詞 齒輪；表面完整性；無損檢測；殘余應力
一 引言
齒輪為動力傳動與能量輸出的關鍵零件，經常承受交變的應力、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，因此為了準確評價分析齒輪零件的承載能力和使用壽命，需要測定分析其表面狀態(tài)和對表面進行適當?shù)那逑磁c強化，以改善其表面完整性和提高其質量安全可靠性。
齒輪表面完整性的檢測分析技術近年來發(fā)展非常迅速，尤其是國外在新技術發(fā)展的同時研制了很多新的檢測設備與建立了相應的標準體系，這些發(fā)展對推動其在齒輪上的應用起著重要作用。本文旨在闡述表面完整性概念與內涵的基礎上，重點介紹齒輪表面完整性的檢測技術，一方面以提高齒輪的表面質量和耐久性，延長其使用壽命和提供其可靠性，另一方面以推動齒輪表面完整性檢測技術的發(fā)展，完善無損檢測技術和建立相應的質量體系。
二 齒輪表面完整性的概念與內涵
表面完整性是在表面質量、表面狀態(tài)觀念的基礎上為確保疲勞使用壽命和耐久性應用性能而發(fā)展起來的新技術術語，指的是材料或構件無損傷或經強化的表面性能。從其概念可推出其內涵包括了以下幾個重要方面[1-5]：
1）完整的幾何形狀與包絡層----加工紋路、波度、粗糙度等；
2）組織結構的改善----晶粒細化、位錯的組態(tài)、形變組織、相變組織等；
3）表層改性----形變強化、加工硬化、熱處理、化學熱處理、復合強化等；
4）力學與物理化學性能----殘余應力、顯微硬度、電化學、電極電勢、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用潛力。
圖1 噴丸強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方法
（1）表面燒傷的檢查
在機械類產品中，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，需要經過磨削加工。 磨削時產生的熱量會進入零件的表面，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?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，或伴隨出現(xiàn)表面殘余拉應力，甚至導致出現(xiàn)裂紋，這就是所謂的磨削燒傷問題。對齒輪來說, 局部的表面燒傷將使該處硬度下降，產生拉應力，降低了疲勞強度，裂紋容易萌生，從而造成齒輪表面的早期失效[6]。
長期以來，對工件表面磨削燒傷的檢驗，除了最簡單的目測法外，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，它能有效地對磨削燒傷進行測試[7]。
齒輪表面燒傷將使產品性能和壽命大幅度地下降，甚至根本不能使用，造成嚴重的質量問題。為此，生產企業(yè)一方面通過執(zhí)行正確、科學的工藝規(guī)范，減輕和避免出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象；另一方面，也必須加強對零部件的檢驗，及時發(fā)現(xiàn)不合格零件，并判斷正在進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到。長期以來，對齒輪表面磨削燒傷的檢驗，除了最簡單的目測法外，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將其浸入盛有按規(guī)定配制的酸液槽中。把工件取出后，根據表面呈現(xiàn)的不同顏色，對磨削燒傷的程度做出相應的判斷。一般地說，若色澤沒有變化，就表明情況正常；而當顏色變成灰色（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重。
圖2 酸洗后的磨削燒傷
這種傳統(tǒng)的檢查方法雖然簡單易行，但有著很大的局限性，如：齒輪表面經酸液浸蝕，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，酸洗法本質上屬于定性檢查，難以對磨損燒傷程度做出定量的說明。因此，在采取傳統(tǒng)方法時，只能采用抽檢的方式，且樣本很小，欲對所執(zhí)行的工藝過程做出較確切的評價并予以改進是很困難的。 理論表明，酸洗法檢驗只能反映因金相組織結構變化引起的齒輪表面硬度下降，而工件表面存在的殘余應力則無法反映，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)境污染的負擔；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的評定標準。
近年來，利用巴克豪森（又稱BNA法、磁彈法）研制的測試儀器已在零部件表面磨削燒傷檢測中逐步得到應用，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Barkhausen 效應為基礎開發(fā)的一種測試方法，能有效地對磨削燒傷進行測試。
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)在多晶體的磁疇結構里）呈有規(guī)則的排列，但在磨削燒傷后產生的金相組織變化及可能出現(xiàn)的殘余應力都將引起磁疇結構內的磁序變化。Barkhausen效應指出，矯頑（磁）力，即改變被顛倒極性所需要的磁場強度，是與鐵磁性材料晶格結構錯位和殘余應力等的程度有關的。利用BNA法探測被檢零部件表面磨削燒傷的機理就在于此。
磨削燒傷的物理表現(xiàn)主要是因表面金相組織結構變化而產生的回火層所引起的硬度下降，以及在表面出現(xiàn)的殘余拉應力，檢測儀器對它們都能做出敏感的反映，見圖3所示。圖3a中的橫坐標表示硬度值Rc，而縱坐標表示輸出的B信號幅值。隨著被檢工件表面硬度值Rc由高向低變化，檢測儀器輸出的相應的B信號幅值將由小到大，即硬度低對應的檢測信號高，硬度高對應的檢測信號低。儀器對表面殘余應力的反應見圖3b，從中可見當殘余應力由小到大，即由負（壓應力）向正（拉應力）變化時，檢測儀器輸出的相應的B信號幅值Amplitude將由低向高變化。
圖3 檢測信號與硬度、殘余應力關系的示意圖
上述由儀器特殊設計的激磁電路和傳感裝置產生的檢測信號，乃是Barkhausen磁彈效應的一種量化表達，以特征值mp（magnetoelastic parameter）標志。mp與被檢測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上來說是一種比較測量的方式，為了能夠真正地對其做準確的定量描述，還必須解決“定標”的問題。
定標包括二項內容：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定標準對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的mp值，然后取其平均值作為不合格的界限。2)進行校準。校準就是找出特征值mp與采用酸洗法確認的磨削燒傷程度之間的相關性。在汽車行業(yè)中，不少場合都可以采用這種以BNA法為基礎研制的磨削燒傷測試儀器，其中，對齒輪零部件的檢測是應用最多的，具有手動、半自動和機器人全自動三種類型的檢測設備，分別見圖4、圖5和圖6。
圖4 手動檢測齒輪磨削燒傷
圖5 半自動齒輪磨削燒傷測試儀
圖6 機器人全自動齒輪磨削燒傷檢測系統(tǒng)
（2）表面粗糙度的檢查
無論是機械加工還是表面強化，對表面狀態(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)，一方面是因為粗糙度影響疲勞性能，另一方面是粗糙度還影響潤滑和接觸應力以及磨損等使用性能，因此需要控制齒輪機械加工和表面強化的表面粗糙度。表面粗糙度的檢測多在實驗室采用輪廓儀來進行測定，目前也有很多便攜手提式的粗糙度檢測儀，非常方便在工程上進行現(xiàn)場測定，而且精度也多數(shù)能夠使用要求。
（3）殘余應力的檢查
殘余應力是影響齒輪使用性能的關鍵參數(shù)之一，測定殘余應力的方法很多，但在工程上應用最普遍精度較高的方法是X射線衍射和中子衍射應力分析技術[8,9]，而且該技術已被國際認可和具有國內外標準來確保測定的精度。測定設備和配套儀器都比較完善，如圖7所示的設備已在國外齒輪行業(yè)被用來測定齒輪根部的殘余應力。
圖7 齒輪根部殘余應力的測定
殘余應力的測試已由有損的鉆孔法發(fā)展到無損的衍射分析，并在德國、法國、美國以及瑞典等國家得到推廣應用，目前這些國家都具備了齒輪的殘余應力場無損檢測新技術與設備----中子衍射分析技術與中子散射儀。殘余應力場的定量測定技術與分析是齒輪零件壽命分析與剩余強度評價的基礎，是延長其使用壽命和提供其可靠性的關鍵[10,11]。
（4）表層硬度分布的檢查
齒輪的表層硬度對于其彎曲疲勞和接觸疲勞性能都具有重要影響，如何準確精確測定表層的硬度與其梯度發(fā)布是材料學科研究和齒輪工程應用都必須解決的問題。硬度的測定有很多方法，但工程中常用的是顯微硬度的測定方法，如維氏和洛氏硬度，必要時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 結束語
齒輪是動力傳遞的重要零部件，進一步開展齒輪領域的最新無損檢測技術研究，建立其檢測新方法標準體系，對推動和促進齒輪領域的檢測科技創(chuàng)新和產學研究結合具有重要作用，期望國內同行能夠共同努力，為提升我國齒輪高新產品質量和創(chuàng)造國家國際品牌做出貢獻。
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