CN103808806A - 一种用于测量齿轮齿根周向残余应力的超声无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于测量齿根残余应力的超声无损检测方法，该方法适用于齿轮齿根残余应力无损测量。通过超声应力测量***、超声换能器、楔块的结合，激发出对应力最敏感的L_CR波。通过L_CR波在齿根附近有无应力时的声时差来精确计算该区域残余应力的大小。该方法可以准确、快速、无损的检测出残余应力值。

Description

一种用于测量齿轮齿根周向残余应力的超声无损检测方法

一、技术领域

本发明提出了一种用于测量齿轮齿根残余应力的超声无损检测方法，该方法适用于齿轮齿根残余应力的无损测量。

二、背景技术

齿轮是汽车、拖拉机、机床等机器中的重要零件，它担负着传递运动、改变运动速度和运动方向的重要任务。因此，无论是在齿轮的制造过程中产生应力的情况，还是在工作时应力情况，都是人们进行研究的重要课题。

文献检索发现，论文：（赵熙雍.磨损牵引齿轮齿根应力的测定）中提到了用贴应变片的方法来测量齿根的应力，但这种方法仅局限于测量齿轮在运动过程中的受力情况，无法检测到齿根由于加工等因素产生的残余应力。论文：（戴进.齿轮齿根动应力分析及其结构优化设计[D].长沙:中南大学,2008.）一文中提到了用有限元分析的方法进行齿根应力的计算，这是一种基于计算机的模拟方法，人为因素很大，网格划分的不同会很大程度上影响到应力的最终检测结果。专利：（姜传海,等.小曲面齿轮根部喷丸层残余应力的检测方法[P].专利号：CN102628815A，2012）公开了一种依据齿轮曲率半径制备不同尺寸的矩形衍射挡板，测量出在不同尺寸挡板条件下，曲面齿轮根部残余应力值，获得矩形挡板宽度与残余应力值之间的关系，这是一种基于X射线的应力检测方法，要求齿轮齿根表面基本平整且要经过适当的化学处理，裸露出晶格，并且要反复调整X射线的入射角度，以便能得到在合适的衍射角度上有一定的强度，操作繁杂，影响因素多，准确度不高，实际应用受到很大限制。

本文提出的是一种利用超声波技术来检测齿轮齿根残余应力的方法，该方法对残余应力敏感度高，测量操作方便、速度快，不仅可以测量齿轮根部的轴向残余应力，还可以测量齿根轴向残余应力，非常适合现场使用。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种用于齿轮齿根残余应力测量的超声无损检测方法，用来准确快速的进行齿轮根部残余应力的检测。达到准确、无损、快速的目的。

本发明的具体技术方案如下：

（1）根据齿轮特殊的尺寸和曲面结构研究出两楔块分别置于两齿面来测量齿根残余应力的方法。

（2）根据齿轮特殊的尺寸和曲面结构设计了可以用于齿根残余应力测量的声楔块，该特殊设计的声楔块材料声速低于被测齿轮材料的声速。

（3）根据Snell定律，当超声纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质当中时（如，从该声楔块入射到齿面）会发生折射现象，当纵波折射角度等于90^°时对应的入射角度称为第一临界角，折射纵波将沿齿轮的表面传播，即临界折射纵波（英文：Longitudinal critically refracted wave—英文简称L_CR波）。根据L_CR波的理论特点，通过实验验证了L_CR在齿轮这种特殊曲面的传播规律。

四、附图说明

图1齿轮齿根应力测量示意图；

图2拉伸试样图；

图3压缩试样图；

图4紫铜楔块图。

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1、L_CR波的激发

根据Snell定律，当超声纵波从波速较慢的声楔块传播到波速较快的齿轮材料当中时会发生折射现象，当纵波折射角度等于90°时对应的入射角度称为第一临界角，计算公式如下所示。

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cr}}={\sin }^{-1}(V/V_2)$

式中：

V₁—波速较慢的介质中超声纵波传播速度(m/s)；

V₂—波速较快的介质中超声纵波传播速度(m/s)。

θ_cr—第一临界角(°）；

折射纵波将沿齿轮的传播表层内传播。

根据齿轮的齿廓形状，在齿面放置声楔块的位置找出渐开线在这点的切线，根据Snell定律和在声楔块材料和齿轮材料中的声速计算出在这点的第一临界角。

2、超声波测应力原理

根据声弹性基本原理，超声波在各向同性弹性介质中传播时，当波动质点的偏振方向与残余应力方向一致或相反（即，为0度或180度）时，超声波波速改变量与残余应力变化量成线性关系。因此，可以利用超声临界折射纵波检测该方向的残余应力。当临界折射纵波速度增加时，表示材料中存在压缩残余应力，反之，存在拉伸残余应力，在材料特性确定条件下，临界折射纵波波速变化量dV与残余应力变化量dσ之间的关系如下：

$\mathrm{d\σ}=\frac{2}{k{V}_0}\×\mathrm{dV}$

式中：

dσ—残余应力的改变量(MPa)；

dV—临界折射纵波传播速度的改变量(m/s)；

V₀—零应力条件下临界折射纵波的传播速度(m/s)；

k—声弹性系数（ns/m²）；

当临界折射纵波传播距离L确定之后，被测介质内的声速变化可以用声时变化等效代替，如下式：

$\mathrm{d\σ}=-\frac{2}{k\×T_0}\mathrm{dt}$

式中：

dt—临界折射纵波传播声时的变化量（s）；

T₀—零应力条件下临界折射纵波传播固定距离L所需要的时间（s）；

令应力常数K=2/kt₀其中T₀是零应力条件下纵波传播过，这时应力变化与超声波传播声时变化成近似线性关系，即Δσ＝KΔt。

3、应力常数K值的计算

制作与齿轮材料相同的拉伸和压缩试样，使用电子拉压试验机、超声脉冲收发仪、示波器进行K值的标定。具体步骤如下：

在齿轮材料的屈服极限内，使用拉伸试验机对拉压试件进行拉压，每隔一定的应力值（本方法采用每隔30MPa），记录示波器中显示的时间差t_i和拉伸试验机显示的应力值σ_i。通过最小二乘法来进行曲线拟合，计算应力常数K值。

$\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\σ}}_i-K\×(t_i-t_0){]}^2={\mathrm{\σ}}_{\min }$

4、齿轮齿根应力的测量

首先测出两楔块间的声程记为S，则在零应力状态下，超声纵波在两楔块间的传播时间为

记应力状态下超声纵波在齿轮中的声速为Vi，则齿轮中的应力大小为

Claims (8)

1.本发明提出了一种齿根周向残余应力的测量方法，其特征在于它包括：齿轮、超声应力测量***、残余应力超声检测换能器、声楔块。

2.根据权利要求1所述的齿根周向残余应力的测量方法，首先进行应力常数K值的标定。

3.根据权利要求2所述的K值标定，首先制定与被测材料相同、热处理方式完全相同的拉伸试件，用拉伸机进行拉伸并记录不同时刻的应力值σ_i、通过超声应力测量***测出不同应力值的声时差t_i，通过最小二乘法进行线性拟合，求出K值。

$\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\σ}}_i-K\×(t_i-t_0){]}^2={\mathrm{\σ}}_{\min }$

4.根据权利要求1所述的齿根周向残余应力的测量方法，进行特殊声楔块设计，使超声检测换能器通过楔块激发和接收临界折射纵波。

5.根据权利要求1所述的齿根周向残余应力的测量方法，在楔块设计时需要与齿轮齿面有较好的耦合，故楔块底面要做成与齿轮齿面相吻合的渐开线曲面。

6.根据权利要求1所述的齿根周向残余应力的测量方法，根据齿轮特殊的结构尺寸，选择声速比齿轮材料声速慢的材料为声楔块材料。

7.根据权利要求1所述的齿根周向残余应力的测量方法，在测量应力时先进行零应力标定，记录零应力波形。

8.根据权利要求1所述的齿根周向残余应力的测量方法，在测量齿根残余应力时，通过测量时波形与零应力波形的对比，***计算出声时差，通过公式σ＝K×（t_i-t₀）。

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