X射線殘余應力檢測在曲軸制造中的應用
發布時間：2024/01/23
齒輪傳動件中的殘余應力是零件抗疲勞強度的決定性因素，齒輪傳動件在每一步加工過程中，都會引入殘余應力或改變應力狀態，X射線衍射法殘余應力檢測技術能無損地、有時是唯一的表征汽車零部件的殘余應力狀況。其中，曲軸的生產制造就較多地應用到了X射線檢測法。
應用一：
在制造過程中通常采用拋光或輥軋曲軸以引入壓應力，來抑制裂紋產生及擴展，延長曲軸使用壽命。因為加工時產生的應力梯度垂直于輥軋表面，因此通常用深度來表征輥軋加工的效果。由于制造商經常改變軸頸角位置的輥軋壓力，需要在曲軸圓周不同角度上采集殘余應力沿深度方向分布信息 (見圖1)。
圖1 不同輥軋壓力下曲軸軸徑沿深度方向應力分布
應用二：
主軸承和曲柄頸表面通常需要精密研磨來達到設計的尺寸精度和表面光潔度。研磨產生的殘余拉應力對研磨加工后的軸頸的使用壽命有很大的影響，可通過X射線衍射法對其進行應力測定。研磨產生的最大拉應力通常位于研磨面的近表層。為了表征研磨產生的殘余應力，通常需要在次表層沿深度方向進行應力分布測定(見圖2)。
圖2. 不同的研磨工藝的應力沿深度變化對比
應用三：
曲軸表面感應淬火技術是通過固態相變，使得軸頸表面強度、硬度升高的熱處理工藝。硬度升高后的軸頸在砂輪磨削的過程中極易出現磨削燒傷。
使用 X 射線衍射法可以無損地對軸頸表面進行殘余應力檢測，從而達到有效監控工件的磨削狀態，取代傳統的有破壞性的酸洗法。
圖 3 是燒傷、無燒傷曲軸軸頸酸洗后的照片，圖 3a 中軸頸出現暗褐色區域為回火型燒傷;圖 3b 為無燒傷軸頸，表面為淺灰色。圖 4 是采用剝層法對燒傷、 無燒傷曲軸軸頸酸洗前的應力梯度測量。通過比較可以看出燒傷軸頸表面壓應力出現較大幅度的降低，軸頸表面以下 0.3 mm 以內的壓應力降低幅度較大，局部已經出現殘余拉應力。
圖3 曲軸軸頸酸洗后照片
圖4 燒傷軸頸與正常軸頸應力梯度曲線
結語：
在曲軸不同制造階段測定次表面的應力,可用來評估每一步制造工藝對表面的影響。研究曲軸殘余應力產生機理，可用于優化產品設計和制造工藝，在制造高質量零部件的同時，降低生產成本。
