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残余应力条件对硬化齿轮承载能力的影响

发布时间:2019.01.07    点击数: 18673

简介

高负荷齿轮通常经过表面硬化,以满足对承载能力的高要求。几个因素,如材料,热处理,或宏观和微观几何参数,均可以影响承载能力。此外,残余应力条件对承载能力也有显著影响。热处理后的制造工艺,如磨齿或喷丸后,可以进一步提高热处理产生的残余应力状态。

在几个研究项目中,对残余应力对齿轮承载能力极限的影响进行了多种研究。研究的重点是齿根弯曲强度以及齿面承载能力。对齿轮在未喷丸、机械清理和喷丸条件下进行了分析.该研究内容包括了不同的材料,例如-16 MnCr5或18 CrNiMo7-6-和不同的齿轮尺寸。

喷丸所产生的残余压应力会导致齿根弯曲强度的增加。与未喷丸状态下的齿轮相比,喷丸齿轮齿根弯曲强度可提高更多,有可能超过50%。根据力学规律,承载能力的提高是有限的。在高负荷喷丸齿轮的情况下,可能会出现其他失效机制,如深部引起的裂纹。短时间的喷丸也能显著提高齿廓的承载能力。由于喷丸过程,齿轮表面受到影响,因此,可能会发生其他故障机制,如微点蚀。此外,喷丸和由此产生的残余压应力也可以用来修复磨削烧伤或避免齿面边缘接触引起的折断。

总之,研究表明喷丸可以显着地提高硬化齿轮的承载能力。此外,残余应力状态也确定了承载能力极限。本文综述了不同研究的主要结果,并讨论了残余应力条件对不同应力状态硬化齿轮的失效模式的影响。

硬化处理是一种典型的热处理过程,用来获得具有足够的承载能力的高负荷部件,如齿轮。相关挑战总是要么是最小化零件的大小以传递相同的扭矩或力,要么是能够使用相同大小的零件传递更高的扭矩或力。影响齿轮承载能力的因素有材料、热处理、宏观和微观几何等。此外,残余应力条件也影响承载能力,在制造过程中,通常通过热处理和可能的下游喷丸工序来改变残余应力状态。

在本文的范围内,将显示残余应力状态-特别是受喷丸过程的影响-对齿轮承载能力的影响。重点放在齿根弯曲强度上。此外,还将讨论对齿面特征的影响。本文将总结不同的,先前发表的研究的主要成果。因此,通过显示主要结果,对不同的方案进行了比较。

残余应力的表征

残余应力是在不受任何力或扭矩作用的构件中产生的应力,包括拉应力和压残余应力。在一个组件中,两种残余应力都是平衡的。表层的残余压应力通常对承载能力有积极的影响,而表层的拉伸残余应力则会显著地降低了承载能力。残余应力状态受加工过程的影响,包括软加工、热处理和精加工。“硬化”热处理过程中通常会产生表层的压残余应力和中心部位的拉伸残余应力。残余应力在-200至-400 N/mm2范围内仅占较小的压应力值。淬火过程中,由于零部件冷却不均匀,产生体积差异,导致产生残余应力,奥氏体转变为马氏体。这两种组织都有不同的但具体的体积,从而产生额外的残余应力。总之,残余应力状态是淬火和体积变化相结合的结果。

通常齿轮在硬化后会受到喷砂或喷丸的影响。因此,机械清理和喷丸是有区别的。在这两种情况下残余应力的计算是基于Wohlfahrt的模型表示的。对于淬火钢(如16 MnCr5或18CrNiMo7-6),表面的弹塑性变形会产生残余应力。如果是由于材料局部应力超过屈服点,则产生压残余应力。此外,如上所述,在喷丸过程中残余奥氏体转变为马氏体,由于微结构的比体积不同,产生压残余应力。

在磨削加工过程中,残余应力状态也发生了变化,表面层受到机械和热的影响。由于砂轮的机械影响,可能会产生压应力或拉伸残余应力。磨削过程中过量的热暴露会导致拉伸残余应力。磨削后残余应力状态是这两种影响叠加的结果。工艺参数对残余应力状态有显著影响。在表层中,可能会产生拉伸和压缩残余应力。

机械清理

机械清理过程的目是在热处理后去除鳞片层,清洗零件。这一过程主要是由叶轮完成的,如图1所示。所使用喷射材料主要是切割金属丝或玻璃珠。工艺过程没有严格的定义,只有过程时间和叶轮的速度被控制和监控(例如,每边5分钟)。在此过程中,产生了对承载能力有积极影响的压残余应力。此外,根据ISO 6336-5材料质量MQ的硬化齿轮的弯曲应力数是通过机械清理有目的地达到的。

喷丸硬化

喷丸与机械清理不同。相对于机械清理,有几个参数,如喷射材料、喷射材料的硬度、材料的尺寸、覆盖度和强度等多个参数都被定义和监测。根据ISO 6336,建议的最低控制应以SAE AMS 2430,SAE AMS 2432或SAE J 2241。在这种情况下,喷射材料是钢球,目的是提高压缩残余应力,其硬度必须至少与零件的硬度相同。因此,如图2所示,喷射喷嘴可以加速钢球的速度,钢球的尺寸和硬度可以改变,弹射速度和过程的持续时间也可以改变。在喷丸前,对喷丸强度进行测量,在此基础上确定喷丸时间。在这些参数的作用下,残余应力的最大值和最大值的深度可以在一定的范围内变化。此外,钢球在连续加工的基础上,保持喷丸过程的恒定效果,由于进行了综合监测,该工艺可达到可重复使用的效果。为了达到喷丸过程的预期效果,零件必须进行预先机械清理。

图3是典型的不喷丸,机械清理后,喷丸状态下的残余应力值。机械清理或喷丸造成的残余应力增加的影响仅限于0.1-0.15mm的深度。通过喷丸,是可以达到最大的压缩残余应力的。

此外,还可以结合两个喷丸过程不同参数。因此,可以实现表面的高压残余应力值,以及在更大的材料深度上高压缩应力值。

图4中比较了不同喷丸工艺与未喷丸条件下的残余应力状态。在这里,一个大钢球(直径为0。8毫米)的喷丸工艺与一个直径为0。1mm的小钢球喷丸工艺相结合,称为WHSP。通过这种组合,可以得到材料深度下的高残余拉应力和表面的高残余压应力。

 

喷丸加工的另一个方面是影响零件/齿轮的粗糙度。特别是在磨削表面时,喷丸加工往往会导致比磨削加工更高的表面粗糙度。在表1中,将磨齿表面的表面粗糙度与附加喷丸表面(磨削后)的磨削表面进行了比较。由于喷丸工艺,测量到的齿面粗糙度从磨削后的Ra≈0.30μm/Rz≈1.97μm提高到喷丸后的Ra≈0.87μm/Rz≈4.76μm。

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