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0 引言

曲軸、連桿等汽車零部件在加工過程中常采用表面感應淬火、氣體氮化、圓角沉割槽滾壓、噴丸[1]等強化工藝以獲得較高的強度和使用壽命。強化后的零件表面一般都有較高的殘余壓應力。目前，測量殘余應力的主要方法有鉆孔法、分割切條釋放法、逐層銑削法、X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法和電子散斑干涉法[2]。其中，X射線衍射法測量殘余應力具有靈敏度和可靠性高、適用范圍廣、樣件無損、可以確定應力方向等優(yōu)勢而得到廣泛應用，其主要依據(jù)為彈性力學理論和X射線衍射理論[3]。本文結(jié)合試驗測試，論述了X射線衍射儀在曲軸、連桿殘余應力檢測方面的應用，以推廣X射線測量殘余應力法，使其得到廣泛的應用。

1 檢測原理

X射線衍射主要角度幾何關系如圖1所示。目前的測量方法主要有同傾法和側(cè)傾法。一定的應力狀態(tài)會引起材料的晶格應變，這與宏觀應變是一致的。當材料中存在殘余應力時，晶面間距將發(fā)生變化。當發(fā)生布拉格衍射時，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離與應力大小相關。依據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ，用波長λ的X射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測出相應的衍射角2θ，求出2θ對sin2Ψ的斜率M，便可算出應力σ[4]。X射線應力衍射儀可以用于測量曲線殘余應力、連桿殘余應力、齒輪殘余應力等。

圖1 X射線衍射主要角度幾何關系

2 檢測工藝

2.1 檢測儀器

使用STRESS3000 X射線衍射儀，采用直徑為75 mm的測角儀，工作電壓為30 kV，工作電流為9 mA。使用Struers公司的MoviPol-5電解拋光儀，對工件表面進行電解拋光腐蝕，實現(xiàn)對工件內(nèi)部一定深度的殘余應力進行測量。

2.2 檢測條件和影響因素

X射線測量殘余應力的測量深度僅約十幾個μm。測量過程中的條件和主要影響因數(shù)：(1)工件表面應光滑平整，對于曲軸，軸頸表面至少要經(jīng)過精磨，沒有油污、銹斑、氧化皮等，文獻[5]規(guī)定被測部位表面粗糙度Ra<10 μm；(2)測量過程中應確保測角儀擺動時，不會觸碰工件，以免損傷準直器和測角儀；(3)使用合適的波長以減少X射線的穿透，選擇合適的衍射角或使用較低的入射角；(4)X射線測量的殘余應力值取決于照射面積大小和位置，如果衍射面積較小，可能會出現(xiàn)衍射晶體數(shù)量不足等問題；(5)彎曲表面會導致殘余應力測量值偏低[6]。

3 主要應用及檢測結(jié)果

3.1 監(jiān)控淬火曲軸磨削后軸頸應力梯度

表面感應淬火技術是目前軸類零件表面強化的常用手段之一。通過固態(tài)相變，提高軸頸表面強度和硬度，從而提高其使用壽命[7]。高硬度的軸頸在砂輪磨削過程中極易出現(xiàn)磨削燒傷。使用X射線應力衍射儀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(jiān)控工件的磨削質(zhì)量。

曲軸磨削過程中是否出現(xiàn)燒傷，經(jīng)酸洗后檢查就可發(fā)現(xiàn)。燒傷表面呈暗褐色或至黑色，無燒傷表面呈淺灰色。采用剝層法對燒傷和無燒傷曲軸軸頸表面(各取2點)的殘余應力及應力梯度進行測量和對比。測量結(jié)果對比如表1和圖2所示。由表1和圖2可以看出，燒傷軸頸表面壓應力下降，軸頸表面以下0.3 mm以內(nèi)的壓應力降低幅度較大，局部已經(jīng)出現(xiàn)殘余拉應力。

表1 不同磨削狀態(tài)曲軸軸頸應力梯度測量結(jié)果

圖2 不同磨削狀態(tài)曲軸軸頸應力梯度

3.2 監(jiān)控球鐵曲軸沉割槽滾壓效果

圓角沉割槽滾壓是球墨鑄鐵曲軸強化的一種常用方式。該方法是在軸頸過渡圓角處沉割出與滾輪半徑大小相同的圓角進行滾壓，使表面層金屬產(chǎn)生微塑性變形，產(chǎn)生表面殘余壓應力。目前對于滾壓后的效果暫時沒有合適的檢測手段，故考慮采用X射線測量沉割槽內(nèi)殘余應力，以對滾壓效果進行評價。為了細致研究滾壓效果，本文采用電火花線切割機床切割曲軸軸頸，然后對曲柄銷圓角沉割槽內(nèi)整周的應力進行測量，測量位置見圖3。

曲軸下止點圓角是曲軸的最薄弱區(qū)域，因此滾壓機床對下止點圓角設置為全力滾壓，加大強化效果，對上止點圓角進行半力滾壓。本文設置對比試驗，通過調(diào)整滾壓參數(shù)，實現(xiàn)正反2個方向的滾壓試驗。正向滾壓為下止點圓角全力滾壓，上止點圓角半力滾壓；反向滾壓為下止點圓角半力滾壓，上止點圓角全力滾壓。切割試驗樣件后，測量圓角應力，結(jié)果見表2。由表2可以看出，采用反向滾壓，下止點圓角變?yōu)榘肓L壓后，其圓角應力遠低于上止點的應力。

圖3 曲柄銷圓角沉割槽內(nèi)測量位置

表2 曲柄銷圓角沉割槽內(nèi)應力測量

3.3 監(jiān)控連桿噴丸后強化效果

連桿毛坯鍛造之后，采用噴丸去除表面氧化皮，同時進行噴丸強化。噴丸前表面有氧化皮，較粗糙，因此本文僅對噴丸后的連桿關鍵部位進行應力測量。不同鋼材在成型過程中就存在鑄造或鍛造應力，其大小與材料本身及成型工藝有關。圖4所示是噴丸后連桿關鍵部位測量點，表3所示為不同材質(zhì)連桿噴丸后關鍵部位的表面應力分布情況。

表3 不同材質(zhì)連桿噴丸后關鍵部位應力測量結(jié)果

連桿最容易失效的位置在桿部及大小頭與桿部連接處，這些關鍵部位需要重點強化。由表3可見，桿部殘余應力最高。

圖4 噴丸后連桿關鍵部位測量點

4 結(jié)論

1) 針對表面感應淬火強化的曲軸，通過殘余應力測量，可以有效監(jiān)控和指導后續(xù)的磨削工藝；同時，采用電解拋光技術可以深入研究淬火區(qū)域內(nèi)部的應力分布情況。

2) 針對滾壓強化的曲軸，通過切割后進行圓角整周的殘余應力測量，建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫。在后續(xù)的日常檢驗中通過對上止點圓角等容易測量區(qū)域的測量，可以有效監(jiān)控滾壓效果，并根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)對下止點圓角滾壓情況進行粗略評估。

3)針對噴丸強化的連桿、滲碳淬火的齒輪等零件，均可以通過應力測量對工件的關鍵部位進行強化效果評估。

4)針對零件的失效，比如變形、開裂、拉傷等方式，均可以采用殘余應力測量進行有效分析，輔助評判。

5)對于已測量出殘余應力分布的工件，可以通過軟件模擬計算，開展工件的薄弱位置預測和使用壽命預估工作。