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殘余應(yīng)力條件對硬化齒輪承載能力的影響

發(fā)布時(shí)間:2019.01.07    點(diǎn)擊數(shù): 93985

簡介

高負(fù)荷齒輪通常經(jīng)過表面硬化,以滿足對承載能力的高要求。幾個因素,如材料,熱處理,或宏觀和微觀幾何參數(shù),均可以影響承載能力。此外,殘余應(yīng)力條件對承載能力也有顯著影響。熱處理后的制造工藝,如磨齒或噴丸后,可以進(jìn)一步提高熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力狀態(tài)。

在幾個研究項(xiàng)目中,對殘余應(yīng)力對齒輪承載能力極限的影響進(jìn)行了多種研究。研究的重點(diǎn)是齒根彎曲強(qiáng)度以及齒面承載能力。對齒輪在未噴丸、機(jī)械清理和噴丸條件下進(jìn)行了分析.該研究內(nèi)容包括了不同的材料,例如-16 MnCr5或18 CrNiMo7-6-和不同的齒輪尺寸。

噴丸所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力會導(dǎo)致齒根彎曲強(qiáng)度的增加。與未噴丸狀態(tài)下的齒輪相比,噴丸齒輪齒根彎曲強(qiáng)度可提高更多,有可能超過50%。根據(jù)力學(xué)規(guī)律,承載能力的提高是有限的.在高負(fù)荷噴丸齒輪的情況下,可能會出現(xiàn)其他失效機(jī)制,如深部引起的裂紋。短時(shí)間的噴丸也能顯著提高齒廓的承載能力。由于噴丸過程,齒輪表面受到影響,因此,可能會發(fā)生其他故障機(jī)制,如微點(diǎn)蝕。此外,噴丸和由此產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也可以用來修復(fù)磨削燒傷或避免齒面邊緣接觸引起的折斷。

總之,研究表明噴丸可以顯著地提高硬化齒輪的承載能力。此外,殘余應(yīng)力狀態(tài)也確定了承載能力極限。本文綜述了不同研究的主要結(jié)果,并討論了殘余應(yīng)力條件對不同應(yīng)力狀態(tài)硬化齒輪的失效模式的影響。

硬化處理是一種典型的熱處理過程,用來獲得具有足夠的承載能力的高負(fù)荷部件,如齒輪。相關(guān)挑戰(zhàn)總是要么是最小化零件的大小以傳遞相同的扭矩或力,要么是能夠使用相同大小的零件傳遞更高的扭矩或力。影響齒輪承載能力的因素有材料、熱處理、宏觀和微觀幾何等。此外,殘余應(yīng)力條件也影響承載能力,在制造過程中,通常通過熱處理和可能的下游噴丸工序來改變殘余應(yīng)力狀態(tài)。

在本文的范圍內(nèi),將顯示殘余應(yīng)力狀態(tài)-特別是受噴丸過程的影響-對齒輪承載能力的影響。重點(diǎn)放在齒根彎曲強(qiáng)度上。此外,還將討論對齒面特征的影響。本文將總結(jié)不同的,先前發(fā)表的研究的主要成果。因此,通過顯示主要結(jié)果,對不同的方案進(jìn)行了比較。

殘余應(yīng)力的表征

殘余應(yīng)力是在不受任何力或扭矩作用的構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力,包括拉應(yīng)力和壓殘余應(yīng)力。在一個組件中,兩種殘余應(yīng)力都是平衡的。表層的殘余壓應(yīng)力通常對承載能力有積極的影響,而表層的拉伸殘余應(yīng)力則會顯著地降低了承載能力。殘余應(yīng)力狀態(tài)受加工過程的影響,包括軟加工、熱處理和精加工。“硬化”熱處理過程中通常會產(chǎn)生表層的壓殘余應(yīng)力和中心部位的拉伸殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力在-200至-400 N/mm2范圍內(nèi)僅占較小的壓應(yīng)力值。淬火過程中,由于零部件冷卻不均勻,產(chǎn)生體積差異,導(dǎo)致產(chǎn)生殘余應(yīng)力,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這兩種組織都有不同的但具體的體積,從而產(chǎn)生額外的殘余應(yīng)力。總之,殘余應(yīng)力狀態(tài)是淬火和體積變化相結(jié)合的結(jié)果。

通常齒輪在硬化后會受到噴砂或噴丸的影響。因此,機(jī)械清理和噴丸是有區(qū)別的。在這兩種情況下殘余應(yīng)力的計(jì)算是基于Wohlfahrt的模型表示的。對于淬火鋼(如16 MnCr5或18CrNiMo7-6),表面的彈塑性變形會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如果是由于材料局部應(yīng)力超過屈服點(diǎn),則產(chǎn)生壓殘余應(yīng)力。此外,如上所述,在噴丸過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,由于微結(jié)構(gòu)的比體積不同,產(chǎn)生壓殘余應(yīng)力。

在磨削加工過程中,殘余應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化,表面層受到機(jī)械和熱的影響。由于砂輪的機(jī)械影響,可能會產(chǎn)生壓應(yīng)力或拉伸殘余應(yīng)力。磨削過程中過量的熱暴露會導(dǎo)致拉伸殘余應(yīng)力。磨削后殘余應(yīng)力狀態(tài)是這兩種影響疊加的結(jié)果。工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響。在表層中,可能會產(chǎn)生拉伸和壓縮殘余應(yīng)力。

機(jī)械清理

機(jī)械清理過程的目是在熱處理后去除鱗片層,清洗零件。這一過程主要是由葉輪完成的,如圖1所示。所使用噴射材料主要是切割金屬絲或玻璃珠。工藝過程沒有嚴(yán)格的定義,只有過程時(shí)間和葉輪的速度被控制和監(jiān)控(例如,每邊5分鐘)。在此過程中,產(chǎn)生了對承載能力有積極影響的壓殘余應(yīng)力。此外,根據(jù)ISO 6336-5材料質(zhì)量MQ的硬化齒輪的彎曲應(yīng)力數(shù)是通過機(jī)械清理有目的地達(dá)到的。

噴丸硬化

噴丸與機(jī)械清理不同。相對于機(jī)械清理,有幾個參數(shù),如噴射材料、噴射材料的硬度、材料的尺寸、覆蓋度和強(qiáng)度等多個參數(shù)都被定義和監(jiān)測。根據(jù)ISO 6336,建議的最低控制應(yīng)以SAE AMS 2430,SAE AMS 2432或SAE J 2241。在這種情況下,噴射材料是鋼球,目的是提高壓縮殘余應(yīng)力,其硬度必須至少與零件的硬度相同。因此,如圖2所示,噴射噴嘴可以加速鋼球的速度,鋼球的尺寸和硬度可以改變,彈射速度和過程的持續(xù)時(shí)間也可以改變。在噴丸前,對噴丸強(qiáng)度進(jìn)行測量,在此基礎(chǔ)上確定噴丸時(shí)間。在這些參數(shù)的作用下,殘余應(yīng)力的最大值和最大值的深度可以在一定的范圍內(nèi)變化。此外,鋼球在連續(xù)加工的基礎(chǔ)上,保持噴丸過程的恒定效果,由于進(jìn)行了綜合監(jiān)測,該工藝可達(dá)到可重復(fù)使用的效果。為了達(dá)到噴丸過程的預(yù)期效果,零件必須進(jìn)行預(yù)先機(jī)械清理。

圖3是典型的不噴丸,機(jī)械清理后,噴丸狀態(tài)下的殘余應(yīng)力值。機(jī)械清理或噴丸造成的殘余應(yīng)力增加的影響僅限于0.1-0.15mm的深度。通過噴丸,是可以達(dá)到最大的壓縮殘余應(yīng)力的。

此外,還可以結(jié)合兩個噴丸過程不同參數(shù)。因此,可以實(shí)現(xiàn)表面的高壓殘余應(yīng)力值,以及在更大的材料深度上高壓縮應(yīng)力值。

圖4中比較了不同噴丸工藝與未噴丸條件下的殘余應(yīng)力狀態(tài)。在這里,一個大鋼球(直徑為0.8毫米)的噴丸工藝與一個直徑為0.1mm的小鋼球噴丸工藝相結(jié)合,稱為WHSP。通過這種組合,可以得到材料深度下的高殘余拉應(yīng)力和表面的高殘余壓應(yīng)力。

 

噴丸加工的另一個方面是影響零件/齒輪的粗糙度。特別是在磨削表面時(shí),噴丸加工往往會導(dǎo)致比磨削加工更高的表面粗糙度。在表1中,將磨齒表面的表面粗糙度與附加噴丸表面(磨削后)的磨削表面進(jìn)行了比較。由于噴丸工藝,測量到的齒面粗糙度從磨削后的Ra≈0.30μm/Rz≈1.97μm提高到噴丸后的Ra≈0.87μm/Rz≈4.76μm。

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