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殘余應力條件對硬化齒輪承載能力的影響

發布時間:2019.01.07    點擊數: 17153

簡介

高負荷齒輪通常經過表面硬化,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,均可以影響承載能力。此外,殘余應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,可以進一步提高熱處理產生的殘余應力狀態。

在幾個研究項目中,對殘余應力對齒輪承載能力極限的影響進行了多種研究。研究的重點是齒根彎曲強度以及齒面承載能力。對齒輪在未噴丸、機械清理和噴丸條件下進行了分析.該研究內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。

噴丸所產生的殘余壓應力會導致齒根彎曲強度的增加。與未噴丸狀態下的齒輪相比,噴丸齒輪齒根彎曲強度可提高更多,有可能超過50%。根據力學規律,承載能力的提高是有限的.在高負荷噴丸齒輪的情況下,可能會出現其他失效機制,如深部引起的裂紋。短時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,可能會發生其他故障機制,如微點蝕。此外,噴丸和由此產生的殘余壓應力也可以用來修復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,殘余應力狀態也確定了承載能力極限。本文綜述了不同研究的主要結果,并討論了殘余應力條件對不同應力狀態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荷部件,如齒輪。相關挑戰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力狀態。

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

殘余應力的表征

殘余應力是在不受任何力或扭矩作用的構件中產生的應力,包括拉應力和壓殘余應力。在一個組件中,兩種殘余應力都是平衡的。表層的殘余壓應力通常對承載能力有積極的影響,而表層的拉伸殘余應力則會顯著地降低了承載能力。殘余應力狀態受加工過程的影響,包括軟加工、熱處理和精加工。“硬化”熱處理過程中通?;岵聿愕難共杏嚶α橢行牟課壞睦觳杏嚶α?。殘余應力在-200至-400 N/mm2范圍內僅占較小的壓應力值。淬火過程中,由于零部件冷卻不均勻,產生體積差異,導致產生殘余應力,奧氏體轉變為馬氏體。這兩種組織都有不同的但具體的體積,從而產生額外的殘余應力。總之,殘余應力狀態是淬火和體積變化相結合的結果。

通常齒輪在硬化后會受到噴砂或噴丸的影響。因此,機械清理和噴丸是有區別的。在這兩種情況下殘余應力的計算是基于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生殘余應力。如果是由于材料局部應力超過屈服點,則產生壓殘余應力。此外,如上所述,在噴丸過程中殘余奧氏體轉變為馬氏體,由于微結構的比體積不同,產生壓殘余應力。

在磨削加工過程中,殘余應力狀態也發生了變化,表面層受到機械和熱的影響。由于砂輪的機械影響,可能會產生壓應力或拉伸殘余應力。磨削過程中過量的熱暴露會導致拉伸殘余應力。磨削后殘余應力狀態是這兩種影響疊加的結果。工藝參數對殘余應力狀態有顯著影響。在表層中,可能會產生拉伸和壓縮殘余應力。

機械清理

機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。工藝過程沒有嚴格的定義,只有過程時間和葉輪的速度被控制和監控(例如,每邊5分鐘)。在此過程中,產生了對承載能力有積極影響的壓殘余應力。此外,根據ISO 6336-5材料質量MQ的硬化齒輪的彎曲應力數是通過機械清理有目的地達到的。

噴丸硬化

噴丸與機械清理不同。相對于機械清理,有幾個參數,如噴射材料、噴射材料的硬度、材料的尺寸、覆蓋度和強度等多個參數都被定義和監測。根據ISO 6336,建議的最低控制應以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時間也可以改變。在噴丸前,對噴丸強度進行測量,在此基礎上確定噴丸時間。在這些參數的作用下,殘余應力的最大值和最大值的深度可以在一定的范圍內變化。此外,鋼球在連續加工的基礎上,保持噴丸過程的恒定效果,由于進行了綜合監測,該工藝可達到可重復使用的效果。為了達到噴丸過程的預期效果,零件必須進行預先機械清理。

圖3是典型的不噴丸,機械清理后,噴丸狀態下的殘余應力值?;登謇砘蚺繽柙斐傻牟杏嚶αυ黽擁撓跋旖魷抻?.1-0.15mm的深度。通過噴丸,是可以達到最大的壓縮殘余應力的。

此外,還可以結合兩個噴丸過程不同參數。因此,可以實現表面的高壓殘余應力值,以及在更大的材料深度上高壓縮應力值。

圖4中比較了不同噴丸工藝與未噴丸條件下的殘余應力狀態。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力和表面的高殘余壓應力。

 

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,噴丸加工往往會導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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