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摘要：喷丸能有效增加轮齿表面层的残余压应力,提高齿轮接触疲劳强度。本文通过X射线残余应力测试法,针对齿轮在喷丸前后和服役过程中轮齿表面层的残余应力变化进行实验研究,尤其探讨了齿廓表面不同部位残余应力在疲劳加载后的变化,并分析其变化的规律性,为提高轮齿喷丸疲劳强度提供依据。
关键词：残余应力;喷丸强化;齿轮。本文由抛丸机厂家整理

1引言
喷丸强化能使表面层产生一定的塑性变形,形成有利的残余压应力场,可以有效地提高表面层接触疲劳承载能力川。这种承载能力的提高在齿轮表面接触疲劳设计中存在许多有待解决的问题,如传统法将喷丸后残余压应力使承载能力的提高作为一不变量叠加在应力分析之中,而忽略了残余应力在外载作用下的不稳定性的影响2[,3〕。本文通过x射线残余应力测试法,针对齿轮在喷丸前后和服役过程中轮齿表面层的残余应力变化进行实验研究,尤其探讨了齿廓表面不同部位残余应力在疲劳加载下的变化,并分析其变化的规律性,为提高轮齿喷丸疲劳强度提供依据。

2实验过程
2.1齿轮和喷丸
本实验齿轮材料分别采用国产2CrNO[和美国EX24两种材料。齿轮的热处理工艺为渗碳+淬火或渗碳十淬火+喷丸。齿轮为一配对弧齿锥齿轮,其具体结构和所测残余应力点的位置如图1所示。对配对的大、小齿轮主要采用0.18C的高强度喷丸进行,利用0.25A普通喷丸强度法进行对比分析。
2.2测试部位和测试方法
2.2.1测试部位
齿轮的测试部位主要选择齿廓大、中、小端的齿根和齿槽,而齿根是齿廓接触面根部台阶上部,齿槽是齿根台阶下过渡弧底部。对齿廓具体测试部位,选择齿向和垂直向进行残余应力测试,如图1所示

测试内容主要对未喷丸、高强度喷丸、一般喷丸及试验后等的残余应力进行实验研究,具体内容与标注说明为:未喷丸、已试验过N大齿轮—N试验大;未喷丸、已试验过N小齿轮—N试验小;已喷丸、未试验过N小齿轮—N喷丸小;一般性喷丸、未试验过F小齿轮—F普喷丸小;未喷丸、未试验过F大齿轮—F未喷丸小;未试验、美国EX24、原件小齿轮—D小;未试验、美国Ex24、原件大齿轮—D大;未试验、未喷丸小齿轮—N未喷小。除D型齿轮外其余均用国产2CrMo材料加工成。
2.2.2测试方法
选用X射线应力仪测试残余应力,测取方法通过n测角仪和重测角仪两种方法综合分析,测试设备为日本2905X射线应力仪;射线管电压为30kV;射线管电流为gn习气;射线产生方式为采用Cr靶;测试执行标准为GB7704一87。

3实验结果及分析
3.1实验结果
根据齿轮失效的形式,本试验将重点测试齿廓中段齿根的残余应力。为了准确掌握喷丸工艺对齿轮应力状态的影响,分别测试了相同条件下的喷丸、一般喷丸及未喷丸三种齿轮的齿根的残余应力;由于齿轮在加载啮合后啮合点有向大端移动的趋势,部分完成了齿轮的大端齿根残余应力测试。测试点的具体部位和结果见表1

表1齿轮残余应力测试结果记录



3.2测试结果分析
3.2.1垂直向分析
齿根垂直向残余应力的类型和大小对轮齿的承载能力有着重大影响。图2是各试件齿廓齿根垂直向残余应力的测试结果,5、6、7、8号试件分别表示N喷丸小齿轮、N未喷丸小齿轮、F未喷丸大齿轮、F普喷小齿轮的残余应力。测试结果表明:喷丸齿轮大、中、小端齿根的残余压应力远比未喷丸的大,N喷丸小齿轮和F普喷小齿轮的残余应力无明显的差别。N未喷丸小齿轮和F未喷丸大齿轮的残余应力无明显差别。
另外,从这些试件的大、中、小段残余应力测试结果看,中段齿根垂直向残余应力普遍明显大于大、小端齿根垂直向的(F未喷丸大齿轮几乎接近)残余应力。
3、4号试件分别表示N试验小和N试验大齿轮,其齿廓中段齿根垂直向残余应力均为压残余应力。DANA大小齿轮齿根垂直向的残余应力分别表现为压应力和拉应力,分散性较大。

3.2.2齿向分析

齿根残余应力状态由其垂直向和齿向的残余应力决定,图3为各试件齿廓中段齿根齿向残余应力测试结果。其残余应力状态均表现为压残余应力状态;使用过或试验过的齿轮(2、3、4号试件)中段齿根齿向残余应力多为偏大的趋势(DANA小不明显),这可能是由于载荷作用后使其残余应力转移的缘故;未使用或未试验过的齿轮齿根齿向残余应力,对喷丸的与未喷丸的和普喷丸的无明显差别(7号试件稍低点)。

3.2.3齿向和垂直向残余应力比较图4为各试件齿廓中段齿根垂直方向和齿向反向的残余应力测试结果对比图,可以发现未喷丸齿向残余应力普遍大于垂直向残向应力,如6、7号试件。通过喷丸后,垂直方向的残余压应力大大提高,并且均高于其相应的齿向残余压应力,如5、8号试件。另外,对于使用过或试验过的齿轮,其齿向仍为压残余应力,垂直向的普遍降低(3号试件不明显)。

3.3测试精度分析
为了考察测试仪器对本齿轮试件的实际测试精度,在不考虑测试方向与切割面刀具走向关系的条件下,随机测试了DANA小齿轮试件切割面的三个不同点,时间分别相隔1小时和半小时,见表1中序号4、5、6的测试结果,其精度扣除测试方向的影响约为+/一20MPa,可以满足工程测试的要求。
此外,表1中N试验小齿槽中部垂直向残余应力为0,可能是测点接近切割面应力松弛的缘故;N喷丸小齿廓小端齿根的应力测了两次,两次测试应力不同的原因可能是由于小端齿廓曲率大,造成测试数据有大的分散性,后者为一136Ml〕a应是合理的。

4结论
(1)喷丸试件的残余应力比未喷丸试件的残余应力大,建议在齿轮制造中采用喷丸工艺来提高齿轮的承载能力;
(2)喷丸后齿廓中部齿根垂直向残余应力比齿廓大、小端齿根垂直向残余应力明显增大,这有利于改善齿廓中部的承载能力,且大端比小端的大,也满足齿轮啮合承载向大端移动趋势要求;
(3)使用或试验对齿廓齿根两向残余应力有明显影响,垂直向有降低的趋势,而齿向仍为压残余应力,但与未喷丸齿轮的齿向相比较有所提高。本文由抛丸机厂家整理
(4)喷丸不仅使齿廓表面的残余压应力有所提高,更重要的是改善了齿廓面层残余应力场的分布,本次试验仅仅测试了齿廓根部表面上的残余应力,未测试沿层深的分布状态。而后者往往关系到齿轮能承受多的载荷、以及喷丸工艺是否合理等,因此,建议以后进一步完成此测试齿根残余应力状态由其垂直向和齿向的残余