電子束改性后輪齒彎曲疲勞性能

1、電子束改性后輪齒彎曲疲勞性能輪齒折斷是齒輪傳動嚙合過程中最常見的的損傷形式之一*輪齒折斷又包含 名種形式，正常情況下，主要是齒根彎曲疲勞產(chǎn)生的折斷。研究表明*通過噴丸 處理、磨削擠壓處理利表面頑化等技術(shù)對齒輪表面進(jìn)行處理*可茯得較好的彎曲 強(qiáng)度。解決這些問題*需要對齒輪進(jìn)行表面的改性強(qiáng)化。利用脈沖電子束進(jìn)行金 居材料表面加工利改性的研究得到了迅速發(fā)展。在人人提高材料的耐磨及耐腐蝕 性能的同吋+在表面深度1 mrii內(nèi)提高材料性能*電子束沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力能阻礙位 錯(cuò)的運(yùn)動*延緩裂紋的擴(kuò)展*可塑提高齒輪的彎曲疲勞性能刑。這里L(fēng)以4（）0 材料作為對象，對不同工藝齒面下電子束處理齒輪彎曲疲勞性能進(jìn)行試

2、驗(yàn)研究 II14-L L76.2齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)方法6.2J齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)原理 齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)方案根據(jù)試驗(yàn)的目的和要求不同齒輪試驗(yàn)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)方式、加載方袪利結(jié)構(gòu)式 樣也有較大差別。根據(jù)中國國家標(biāo)準(zhǔn)GE/T14230-93齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法” 確定齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度應(yīng)采用齒輪臺架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)（簡稱試驗(yàn)法5 也可采用齒 輪輪齒脈動加載試驗(yàn)（簡稱試驗(yàn)法U A試驗(yàn)袪是將試驗(yàn)齒輪副安裝在齒輪試 驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)+直至輪齒出現(xiàn)彎曲疲勞失效或齒根應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到 規(guī)定的循壞基數(shù)N. B試驗(yàn)法是在脈動疲勞試驗(yàn)機(jī)上利用專門的夾具.對試驗(yàn)齒輪 的輪齒進(jìn)行脈動加載，直至輪齒岀現(xiàn)彎曲疲勞失效或越岀，試驗(yàn)終止

3、井茯得輪齒 在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個(gè)壽命數(shù)據(jù)。由于輪齒脈動加載試驗(yàn)效率較高*因此這里采用 試驗(yàn)袪”從前面研究表明*不同原始表面的材料進(jìn)行電子束處理*茯得的表面狀況利 表面粗糙度也不盡相同*因此這里對不同工藝下齒面的電子束改性齒輪進(jìn)行輪齒 的彎曲疲勞性能研究W啟組齒輪采用滾齒加工不磨削，另外一組采用磨齒加 工對其進(jìn)行脈沖電子束的齒面改性處理。對于未磨削齒面的齒輪可靠度-應(yīng)力-壽命曲線用常規(guī)成組法測定+試驗(yàn)吋聯(lián) 45個(gè)應(yīng)力級，每個(gè)應(yīng)力級不少于5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（不包括-越出點(diǎn)九最高應(yīng)力級中的 各試驗(yàn)點(diǎn)的彎曲應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不少于O.5xlO5最高應(yīng)力級與次高應(yīng)力級的應(yīng)力河 隔為總試驗(yàn)應(yīng)力范W的40%咒）.隨著應(yīng)力的

4、降低.應(yīng)力汕隔逐漸減小。最低應(yīng)力級中應(yīng)該至少有一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)越出。磨削齒面齒輪測定S-N曲線采用少試驗(yàn)點(diǎn)組合法，應(yīng)力級取7-8個(gè)，每個(gè)應(yīng) 力級選取1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)由高到低應(yīng)力水平而逐次進(jìn)行。 試驗(yàn)齒輪參數(shù)h= 1.25m, aO=O.3m.齒根試驗(yàn)齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14230-93齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方 法人如圖6.1所示，齒形：漸開線，模數(shù)m=3mm.齒數(shù)2=19,齒寬b=12mm. 節(jié)圓壓力角a=20。，螺旋角變位系數(shù)xO,齒高 圓角paO=O.3m。材料選取常見工業(yè)齒輪材料40Cr。圖6.1齒輪零件圖Fig.6.1 Gear parts063兒 試驗(yàn)用夾具輪齒彎曲試驗(yàn)可采用單

5、齒或雙齒加載.雙齒加載具有簡單、方便、 等優(yōu)點(diǎn)，因此本試驗(yàn)采用雙齒加載形式，如圖6.2。6.2.2齒輪彎曲疲勞數(shù)據(jù)處理方法 齒輪疲勞曲線方稈齒輪彎曲疲勞曲線具有以下幕指數(shù)形式。S -N = C自動均載(6.1)其中：S為彎曲應(yīng)力；m為試驗(yàn)確定的指數(shù)：N為應(yīng)力S卜的壽命：C由試驗(yàn)確定的常數(shù)：對上式進(jìn)行對數(shù)變換，可得：/zHn S + bl yv =lnC(6.2)圖62刈齒加戦Fig62 Loading mode 利用常規(guī)成組法估計(jì)齒輪彎曲疲勞壽命利用常規(guī)成組法估計(jì)齒輪的R-S-N Illi線Jg基本步驟是：I)定應(yīng)力卜的疲勞失效壽命分布參數(shù)的估計(jì)將齊應(yīng)力級卜的齒輪疲勞循環(huán)次數(shù)，按數(shù)值由小到人的

6、順序排列編號.齒輪 的經(jīng)驗(yàn)分布雷數(shù)則可按中秩取值(6.3)F(N,) = (i-0.3)心+ 0.4)其中：i為失效頗序號； n為樣本總數(shù)：F(NJ則為失效噸序兮為i時(shí)的疲勞命N,的失效概聿；對于雙齒加載脈動彎曲試驗(yàn)，當(dāng)一對輪齒中的一個(gè)斷裂失效時(shí)，就必須中止 試驗(yàn)。對于未失效的輪齒，與它對偶輪齒的疲勞失效壽命也是中止時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 比如存在U對輪齒加戟試驗(yàn)，這找屮m個(gè)輪肉發(fā)生了失效(mSu).則樣本總數(shù) 為n=2u,其中另外(n-m)未失效輪齒都要按照未失效的中止試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 而J1也要采用平均噸序的方法計(jì)算輪齒失效好命的順序-這樣就足為r充分利用 試驗(yàn)所得的信息。這時(shí)應(yīng)將式6.3改寫為！

7、(6,4)F(N, 2(-().3)心+0.4)式中，im為按照平均額序方法計(jì)算所得到的平均失效順序(6,5)=*-! + G +!-_/)/(+1-幻式中：為平均失效順序im的前一個(gè)平均失效順序值：K則為平均失效順序訂前而赧近的失效數(shù)據(jù)在所冇數(shù)據(jù)中的順序號！ j為k數(shù)據(jù)前面最近的失效顧序號。遲處命卜齒輪殍1山疲勞強(qiáng)度和遲應(yīng)力F齒輪療曲披勞好命一般遵循對數(shù)形式的正態(tài)分布將試驗(yàn)獲得的疲勞失效卷命數(shù)據(jù)描在郴應(yīng)的概率紙匕并用W小-乘 法線性擬合，即可獲得分布參數(shù)的估計(jì)值。其中對數(shù)形式的正態(tài)分布函數(shù)為f n N UF(Ar)=(i(巴(6.6)擬合出來的方程為P (F(N) = (InN-“)/b式中

8、：i(F(N)為函數(shù)e(inyv-“)/o的反函數(shù)；F(N)為壽命到達(dá)N時(shí)的失效概率：卩為總體對數(shù)殍命均值： O為總體對數(shù)壽命標(biāo)準(zhǔn)差.令函數(shù) y = (f(/V). x=InN, A=l/o. B二屮心 則式(6.7)可以寫成尸Ax+B 的形式，因可離度R=I-H(N).此式實(shí)際上反映r對旅度打妤命Zmj關(guān)系.稱為R-N 方程。因此利用數(shù)據(jù)lnN,0-(f(/V, )在正態(tài)分布的概率紙上最小二乘法線性擬 和，町得卩和；1-1W ,=, m ,=,利用線性相關(guān)系數(shù)r值來檢驗(yàn)和判別彎曲疲勞壽命是否符合對數(shù)正態(tài)分布。2) R.S-N線簇方榨的擬合任求得各個(gè)應(yīng)力級的KN力程以后，可選取可靠度分別為K=

9、O.K U.2、 0.9、0.95, ().99等來計(jì)算其對孩度好命Nr.對符合對數(shù)正態(tài)分布的怙況K Nr 按以式6.10計(jì)算：Nr =cxp(/ + o-0(l-/?)(6.10)將#應(yīng)力級HA/Hi同町靠度的彎曲疲勞春命在雙對數(shù)坐標(biāo)系中利用鍛小二 乘法進(jìn)行線性關(guān)系擬合，就可得到R.S.N曲線簇。R.SN線簇方程為(6.11)叫 In + In N = In式中：Sr為可靠度為R的彎曲疲勞強(qiáng)度；N為相應(yīng)疲勞壽命：甌為町旅度為R的方程ffi數(shù)：Cr為可靠度為R時(shí)方程的常數(shù)。3)定心命卜不同對靠度彎曲疲勞存命分布的估計(jì)(6.7)(6.8)(6.9)由于在低應(yīng)力級下壽命有可能越出，在高可靠度下S-

10、N曲線通常會失真，此 時(shí)，需要川統(tǒng)計(jì)學(xué)上的方法將異常數(shù)據(jù)剔出，以余下的曲線為基礎(chǔ)，然后對不同 町靠度下輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分布類型的檢驗(yàn)以及分布參數(shù)的估計(jì)。由于齒 輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度服從對數(shù)正態(tài)分布，在定壽命下任意可靠度R的疲勞強(qiáng)度計(jì) 算公式為(6.12)Sr =cxp/ + n- (l -/?)式中：卩為總體對數(shù)強(qiáng)度的均值：O為總體對數(shù)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。將個(gè)定卷命卞郴同對靠度的疲勞強(qiáng)度數(shù)值在雙對數(shù)坐標(biāo)系中用放小-乘法 擬介，町得到R-S-N線簇及方程叫 少試驗(yàn)點(diǎn)法的齒輪彎曲疲勞壽命估計(jì)針對少試驗(yàn)點(diǎn)法，分別以InS和InN作為縱橫坐標(biāo)做直線.然后疲勞試驗(yàn)點(diǎn)在 坐標(biāo)系上進(jìn)行線性的擬介，M得到町靠度

11、為50%下的S.N曲線.將循壞基數(shù)N。做 橫坐標(biāo)做垂線并與S-N曲線相交取交點(diǎn)，此交點(diǎn)對應(yīng)縱坐標(biāo)即為對應(yīng)的彎曲疲勞 極限值心叫6.3彎曲疲勞試驗(yàn)齒根應(yīng)力計(jì)算方法研究在齒輪的彎曲疲勞研究中，通過試驗(yàn)獲得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度曲線P-S-N是 重要的手段，也就是獲得齒根應(yīng)力和彎曲疲勞壽命的關(guān)系-而彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)一 般的加我形式都是力的形式，需要計(jì)算出齒根應(yīng)力.由于齒輪輪齒的形狀比較奴 雜，傳統(tǒng)的齒根應(yīng)力計(jì)算公式中仃郴半部分參數(shù)是人致估算或依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來選 取的這樣造成的結(jié)果往往會因?yàn)閰?shù)的選擇不同而造成計(jì)算結(jié)果有較犬差距。 有限元法是工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵱眯詮?qiáng)，應(yīng)用廣泛的一種數(shù)值計(jì)算方法。應(yīng)用有限元 方法町

12、以方便的模擬研咒輪齒的受我變形和輪齒齒根應(yīng)力的W況，從而町以與傳 統(tǒng)的計(jì)算公式柑比較.驗(yàn)證傳統(tǒng)計(jì)算公式中參數(shù)選擇的介理性.6.3.1齒根應(yīng)力級的理論計(jì)算對于雙齒加載形式，如果齒輪幾何參數(shù)一定.加載點(diǎn)E點(diǎn)的位胃.及跨齒數(shù)n 都是確定的。圖6.3顯示跨齒數(shù)n與載荷作用E點(diǎn)的幾何關(guān)系，以及齒輪夾具上的壓頭尺寸 幾何關(guān)系。按照GB/T14230-93的公式C3、C4和C5.町以得出E點(diǎn)所在圓的直 徑 dE=6(). 1249mm,壓力 ffj a。= 31.767。，跨賁數(shù) n=5。在試驗(yàn)中試驗(yàn)齒輪齒根處的應(yīng)力町根據(jù)已確定的E點(diǎn)位按照卜式進(jìn)行計(jì) 算：(6.13)5式中：YFE為載荷作用在E點(diǎn)的齒形系數(shù)

13、YSE為載荷作用在E點(diǎn)的應(yīng)力修正系數(shù)其余參數(shù)的取值按GB/T34X()確定.YSE、YFE按GB/T3480給出的計(jì)算公式 計(jì)算獲得，并把結(jié)果數(shù)據(jù)代入式(63)中2卜山叫可以得到匕曲匕Yx 2x12x3x2x1x1.0017x1 冊尸 心Fig63 Location of load point巧- YfeF X 2.2543X 1.98396.3.2數(shù)值分析仃限元模型利用UGNX三維軟件對齒輪及夾具進(jìn)行了建模并裝配，然后將有限元模型利 用中性文件恪式導(dǎo)入到ABAQUS仃限元分析軟件.這里主耍關(guān)注齒根應(yīng)力在夾八 施加壓力后的惜況，內(nèi)此對模型進(jìn)行了簡化，把夾與齒輪經(jīng)過布爾運(yùn)算處理為 一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)

14、.忽略夾具夾頭與輪齒間接觸應(yīng)力的分析，可人大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。 右限元模型如圖6.4所示，采用1()節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格對結(jié)構(gòu)進(jìn)行右限元網(wǎng)格化分， 在齒輪軸孔関柱面上施加全約束，并在夾八頂部陰柱頂面上方一點(diǎn)對岡柱頂面施 加耦合約束。aja W圖64齒輪和夾n的育限元模熨Fig64 Finite dement model gear and fixture6.3.3解析結(jié)果及對比分別施丿川5KN、lOKNx 15KN、2()KN、25KN. 3()KN豎厲向卜的作用力進(jìn)行 分析，如圖6.5為其在2()KN壓力載荷的應(yīng)力玄圖.分別収齒輪齒根部位故人的3 個(gè)應(yīng)力點(diǎn)的平均值作為特定載荷下的齒輪齒根的計(jì)算應(yīng)力。數(shù)值

15、解析計(jì)算結(jié)果如 表6.1,將其與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，差值在16%之間。圖6.6為齒根應(yīng)力融加戟力的變化llh線，對以n-ill.兩種il更方法所得出的結(jié) 果基本一致，從而也說明了經(jīng)驗(yàn)公式中參數(shù)選用的正確性，經(jīng)驗(yàn)公式能夠用來預(yù) 測齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)齒抿應(yīng)力級“2現(xiàn)圖6.5%輪齒根處W力云圖COKN)Fig-6.5 Dedendum stress cloud chart農(nóng)6齒輪齒根咸力的冇限元分析結(jié)來TaWe6.1 dedendum stress of FEM施加取荷（KN）51()15202530應(yīng)力（模擬）（MPa）160J9322.43469.4964L7782133971.18域力（理論）

16、（MPa）155.03310-05465.08620.10775.13930.15於他（%）3.333.990.953.495.964 41圖6.6兩種訃tZMMi的比較Fig.6.6 Contrasl of compuling resultY數(shù)值解析T-理論計(jì)本文針對雙齒加載的齒輪輪齒進(jìn)行脈動加載試驗(yàn)，然厲通過右限元分析軟件, 分析了直齒圓柱齒輪雙齒加載卜的齒根應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果顯示與標(biāo)準(zhǔn)上的理論計(jì)算 的結(jié)果叢本和近，從而也說JJ 了利川經(jīng)驗(yàn)公式在齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)過程中計(jì)算應(yīng) 力集，是可以滿足試驗(yàn)要求的.也相互驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值解析都能夠用來預(yù) 測齒輪輪齒彎曲疲勞試驗(yàn)下齒根應(yīng)力級。6.4齒輪靜

17、強(qiáng)度試驗(yàn)由于在齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，為r防止試驗(yàn)時(shí)我荷過人造成輪齒的刻性 變形或斷裂，最人應(yīng)力級不能超過靜彎強(qiáng)度的70%.這里對改性前輪齒進(jìn)行靜彎 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在美國產(chǎn)MTSliiiO電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上完成。在不同的齒輪上 選取3對輪齒進(jìn)行靜彎強(qiáng)度試驗(yàn)取平血值，加載速率為0.IKN/S. W齒輪輪齒的斷 裂作為破壞的依據(jù).圖6.7為試樣加載過程中的位移一載荷曲線，試驗(yàn)載荷如表 6.2所示叫150.00.51.0夾頭位移（mm）圖6.7加栽過程中的位移一載荷曲線(N岑)燈力旳旳 3 g R 2Fig67 Displacement and load curves under loading

18、process及62試9齒輪掙彎強(qiáng)度試附結(jié)柴Tabled.2 Gear bending strength輪齒序號123平均值試臉取倚（KN）75.9267.7766.2769.986.5不同工藝齒面下電子束處理輪齒彎曲疲勞性能inf面利用電子束能對材料的表而的組織、表而狀況及力學(xué)性能進(jìn)行了分析， 結(jié)果顯示，在材料表面深度I亳米內(nèi)町以提高材料的硬度，同時(shí)電子束處理讓材 料的農(nóng)而形貌和靡擦濟(jì)損性能發(fā)生變化，仔望!提高齒掄的療仙疲勞性能向.6.5.1試驗(yàn)方案 試驗(yàn)齒輪及熱處理材料選取工業(yè)上常用的齒輪材料40Cr,零件如圖6.8.熱處理為淬火和調(diào)質(zhì)處 理，齒面碩度30-5（）HRC.芯部碩度30-40

19、HRC.所衣的齒輪采用同一批材料和工 藝制逍，齒面分兩組，一種來用滾齒面，一種滾齒后進(jìn)行磨削處理. 齒輪電子束試驗(yàn)平臺齒輪脈沖電子束表面處理采用俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院強(qiáng)電流研究所生產(chǎn) 的“RITMJNT電子束試驗(yàn)裝倪，工藝參數(shù)如衣6.3所示，照射次數(shù)為25次.& 63電r-Mil：藝參數(shù)Tablc63 Process parameter of eleciron beam電圧距能量密度脈寬脈沖頻率27 kVKOmni4J/C3妙OJHzm2w輪電子柬改性裝置設(shè)計(jì)根據(jù)強(qiáng)流脈沖電子束改性設(shè)備的束斑尺寸（直徑50mm）及齒輪的外形特點(diǎn), 對電子束齒輪齒面改性設(shè)計(jì)專用的裝置，其原理如圖68所示。對齒輪

20、進(jìn)行旋轉(zhuǎn)改 性處理，逐個(gè)處理毎個(gè)輪齒.這樣M以對齒輪的一個(gè)岡周實(shí)現(xiàn)一次抽咒空全部照 射-既提高了加工效率同時(shí)對獲得均勻的改性齒面.-+ .-*A1 ft空牢底板-2負(fù)欽電腔體.3比空起孟板.4緊固螺母.5待處理不件 6強(qiáng)流脈沖電r束源 7 111/束-8定位靠件，9套簡，10軸承 IIL型支撐架.12傳動軸門滾軸螺毎.14滑臺.15滾軸絲杠，16小步進(jìn)電機(jī)門人步進(jìn)電機(jī).18宜線滑軌，19外支架ra 6.8齒輪電r束衣面改性廉理圖Rg6,8 Principle diagruni of Gear electron beam surface inodiOcation不同工藝齒面的齒輪在電子束改性前后

21、的形態(tài)如圖6.9所示（a）未烤rw的原始齒輪（b）烤削后的原始齒輪(C)未曆削改性后的齒輪圖6.9不同1：藝齒ifii的齒輪么(d)曆削改性岳的齒輪Fig.6.8 Gear by Different process on surface齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)方法齒輪輪齒巧曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T1430-93齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法 木磨削齒面齒輪采用成組法，磨削齒輪采用少試鑒點(diǎn)組合法，試驗(yàn)由高到低應(yīng) 水平逐次進(jìn)行。加載采用雙齒方式加載。齒輪輪齒的彎曲疲勞試驗(yàn)以恒載荷在 產(chǎn)PLG-200 頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖6.1()所示。失效判據(jù)：齒根斷裂或我 卜降IO%-*- |叫PLG-200 頻疲勞試

22、驗(yàn)機(jī)由微機(jī)控制，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：最人負(fù)荷(kN ) 20()最人單向脈動負(fù)荷(kN) 20()最人動負(fù)荷(峰值kN) 100衰減倍數(shù)分檔1, 2. 5掙負(fù)荷示值郴對謀差1%頻率范W (Hz) ()-250負(fù)荷波動度 動負(fù)荷0.5%F S,靜負(fù)荷0.5%F S夾頭間最人更離(mm) 700圖6_l0 PLG-200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig-6-1() PLG-200 High frequency fatigue testing machine6.5.2試驗(yàn)結(jié)果部分不同工藝齒面卜的優(yōu)輪電子束改杵前后彎Illi披勞試驗(yàn)厲的憂輪如圖6JI 所示a(a)未磨削的原始齒輪tb)磨削后的原始齒輪(C)未磨削

23、改性后的齒輪(d)磨別改性后的齒輪圖6.H試驗(yàn)后齒輪Fig6ll Gears ufler expcriruent未磨削齒輪輪齒的彎a疲勞I) 削原始f片輪輪齒的叭曲疲勞未爲(wèi)削的原始齒輪在4個(gè)應(yīng)力級卜的披勞春命結(jié)果如表64所示:農(nóng)6.4疲勞失效壽命X105TaWc6.4 Fatigue failure Iifcxl()5序號 -疲勞存命398M Pa367MPa346MPa324MPa10560.63L272J820.870.951342.3230.95IJ4L584,4441321.19L594.8351.57L6222924630利用前而的公式63,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均失效順序訂及各個(gè)壽命失效概

24、率F (Ni)的計(jì)算結(jié)果如表65。& 65全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)im和F(Ni)的計(jì)算結(jié)果Table65 All im 和 F(Ni) computing result(a) h和 F(NJ結(jié)果(應(yīng)力 398MPa)焊命NixIOS疲勞失效存命學(xué)號iF (Ni)0,561().080-882JI0,170.953.4()0301325,000,45L57733)68(b)G和F(NJ結(jié)果(應(yīng)力367MPa)壽命NixIOS疲勞失效壽命序號iF (Ni)0,631()()0952J10.171J4340().30IJ95.000,45L62733()68(c)h和F(NJ結(jié)果(應(yīng)力346MPa)壽命Nix

25、 10疲勞失效壽命序號iF (Ni)1.271()061342.090.14L5833()0.241594.740.362286.54().50(d)im和F(Ni)結(jié)果(應(yīng)力324MPa)好命 Ni(lO)疲勞失效2丫命胖號|F (Ni)2J710,062.322.09()J44-443310-244,834.740.369-246.540.50將試驗(yàn)所獲得的疲勞失效壽命數(shù)據(jù)再用最小二乘法進(jìn)行擬合對得分布參數(shù) 的估計(jì)值如農(nóng)66農(nóng)66疲勞壽命分布擬和結(jié)果Tabk6.6 Fitting results of fatigue life應(yīng)力/MPa分布參數(shù)PS398I2J0().8436712-12

26、0.7734612-460-7032413.651.02求得各應(yīng)力級下的可靠度一壽命方程后，選取可靠度分別為R=0l、02().9, 0.95, ().99計(jì)算出每一個(gè)應(yīng)力級下的町靠度壽命Nr。并將各應(yīng)力級卜的郴同 可靠度的披勞婷命值在雙對數(shù)坐標(biāo)系中利用般小二乘法進(jìn)行線性擬合，可得R-S-N 的曲線簇.其RSN曲線參數(shù)如表67所示：k 6,7 RSN曲線務(wù)數(shù)Tabled,? Parameter curve of R-S-N町旅度-R-S-N曲線參數(shù)inInCr018.0360.83-0-800,27745&77-0.82()375357.26-0.830-473555.99-0-850-57J

27、954,82-0.860.67.()253.64-0,87076.845237-0,89()-86.6350,86-0-91096344&8()4930956J()47 JO095()-995-6543.86-0-97利用I： 步擬合的R-S-N曲線為廉礎(chǔ)選取K ()501利()()5xl(四個(gè)好命水 平對不同町靠度下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行其分布參數(shù)估計(jì)結(jié)果見表6嘔衣68定壽命下疲勞強(qiáng)度分布擬和結(jié)果Tabled.8 Fitting results of fatigue strength under constant life壽命(106)分布函數(shù) -分布函數(shù)參數(shù)1對數(shù)正態(tài)5,660J10,5對數(shù)正態(tài)5

28、,760J1OJ對數(shù)正態(tài)5,990,()90,05對數(shù)正態(tài)6090,08將每個(gè)定壽命卞相同可靠度的疲勞強(qiáng)度在雙對數(shù)坐標(biāo)中利用最小二乘法進(jìn)行 線性擬合，便對得到RSN曲線的方程參數(shù)（如表6.9）及其曲線圖（圖6.12）。衣69定壽命下擬合出的R-S-N曲線參數(shù)及onimlft分布函數(shù)參數(shù)可靠度Table6-9 Parameter curve of R-S-N under constant life018-2062123150,27-8159.30294037-5557-412790,47-3455,932670,57J554-622570,66,985136247076 fifi5? ()073

29、70,86,6050,662250,96344&822090,956J547-411980,995,8044.95177sFlinX Mpa)InC(乏)sR=0.1 R=0.2 R=0.3 R=0.4 R=0.5 R=0.6 R=0.7 R=0.8 R=0.9R=0.95R099i(r壽命(N)圖6J2木磨削原始齒輪的最終R-S-N線簇101010,Fig,6J2 Final R-S-N Curves2) 未磨削電子束改性齒輪結(jié)呆未磨削電子束改性齒輪在4個(gè)應(yīng)力級下的疲勞強(qiáng)度如表6.1()所示:衣6IO疲勞失效壽命xl05Tabled-!0 Fatigue failure lifexl05序號

30、疲勞失效壽命315MPa300MPa282MPa264MPa10,74L27L592-682L40L512-052-923L7lL742.4435242-052-053355-8552-253335-538I2630730未磨削電子束改性齒輪的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程與未磨削的原始齒輪所采用 用法相同。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的平均失效順序im及各壽命卞的失效概率F (Ni)的計(jì) 算結(jié)呆如表6.11。A 6I所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)im和F(Ni)的結(jié)果TablebJ I All im 和 F(Ni) computing result(a) ini 和 F(Ni)結(jié)果(應(yīng)力 3l5MPa)命 Nixl05疲勞失效壽命序號

31、iF (Ni)0.7410.()8L402J 10J7L7I3.400302.055.0()0.452 257330 68(b)im和F(Ni)結(jié)果(應(yīng)力300MPa)好命Nid05疲勞失效壽命序號iF (Ni)1.2710()8LSI2,110J7L743.400.3()2_055-000_453337330.68(c) im和 F(NJ結(jié)果(應(yīng)力 282MPa)存命Nixl05疲勞失效壽命序號iF (Ni15910_062-052.090J42.443300.243.354.740.365.536.54()50(d)訂和F(NJ結(jié)果(應(yīng)力264MPa)好命Nid05疲勞失效壽命序號iF (

32、Ni)2_6810_052.922.080J23,523.260215854.59().3()8J26J70.41將試驗(yàn)獲得的疲勞失效壽命采用最小二乘法進(jìn)行線性方程擬合，可以得到如 表612的分布參數(shù)估計(jì)值。6J2疲勞壽命分布結(jié)果Tabled J 2 Riling results of fatigue strength under constant life應(yīng)力級載荷/KN應(yīng)力/Mpa分布參數(shù)S110.831512-270,63210330012-410,5139-728212-850,6549.126413.760,93利用和前面相同的方法求得各應(yīng)力級下的RN方程后，選取可靠度分別為R=0.

33、1、0.2、0.3、0.9、0.95、0.99計(jì)算每個(gè)應(yīng)力級的可靠度壽命Nr。并將各 應(yīng)力級下的相同可靠度的疲勞壽命用最小二乘法進(jìn)行線性擬合在雙對數(shù)坐標(biāo)系中便可得到需要的RSN曲線簇其RSN曲線參數(shù)如表613所示：衣613 RSN曲線參數(shù)Table6,13 Parameter cun e of R-S-N可靠度-R-S-N曲線參數(shù)mInCr0110,5173-23-0,940-29,7268,48-0.95039J565,02-0.960-48,6762,11-0.960-58,2259,41-0,970-67,7756,71-0.980-77,2953,79-0.980-86,725033-

34、0.990-95,9445,58-0.990,955,294L70-0.990,994,0634,25-0.96利用上一步擬合的RSN曲線作為基礎(chǔ)并選取】xlO鐵0.5xl0 OJxlO()()5x1()6四個(gè)壽命對不同可鼎度下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分布參數(shù)的估計(jì)。結(jié)來如表6.14.衣614定春命下疲勞強(qiáng)度分布擬和結(jié)果Table6J4 Parameter curve of R-S-N under constant life4命水平(|()“)分布函數(shù)分布附數(shù)參數(shù)MS1x10*對數(shù)正態(tài)549OJ 105x1(/對數(shù)正態(tài)5.58().09OJxlO*對數(shù)正態(tài)5.800()50.05x10*對數(shù)正態(tài)5-90

35、0-03將并泄妤命卜翔I同川鼎度的疲勞強(qiáng)度在用故小-乘法在雙對數(shù)坐標(biāo)系中押 合可得到RSN曲線方程參數(shù)(如表6.15)和曲線圖(如圖6.13)。R 6.15圧命卜的R-S-N曲線務(wù)數(shù)和opHn, (NO) iftTable6.15 Curve parameter ol R-S-N under constant life訓(xùn)擷度-R-S-N曲線步歡sFIiin/MPuinInC0J12-6185.932790-210.5573.50258039.4366.732430486662.062310-58-055835221067.5255.15211077()252.122010,86-5049.02

36、190()-95.9145.431750.955.5()42.951640.994,8539X)4144(Bd3)R01 R=0.2R0,3R-0.4R05R-0.6R0.7R08R.0.9 R-0.95R099100101010 專命（N）圖613木J薛削改性齒輪的技終RSN曲線Fig-6-13 Final R-S-N Curves3）木削原始肉輪與電子束改性齒輪試驗(yàn)結(jié)果對比144MPa,對齒輪進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，在4個(gè)應(yīng)力級廠獲得木磨削的原始齒輪彎 曲疲勞壽命和電子束處理齒輪彎曲疲勞壽命，總體上呈對數(shù)正態(tài)分布。求得各應(yīng) 力級F的R-S方郴厲，求出不同對靠度下的輪齒彎腦疲勞春命，并用故小二

37、乘法 進(jìn)擬合為R-S-N曲線簇。將兩種工況下人仃柑同町靠度的S-N曲線放在同一坐標(biāo) 比較，如圖6.14所示。未磨削的齒輪經(jīng)過電子束改性，彎曲疲勞強(qiáng)度有一定程度 的下降。在可靠度50%的條件下.未磨削齒輪的強(qiáng)度從257MPa降到221MPa.下 降了 14%：在可常度為99%的乂件K未磨削齒輪的彎仙強(qiáng)度從I77MPa降到 卜降了 186%。100-1010* 10 10* 奇命(ln(N)o o522o o o o4 3 (edg r堡10圖64木丿評削Mi輪兩種I：況下SN比較Fig-6.13 S-N contrast of not grinding gear under different

38、conditions勵(lì)削W輪的彎Illi疲勞對于經(jīng)磨削齒面原始齒輪及電子束改性齒輪，采用少試驗(yàn)點(diǎn)組合法測定其S-N 曲線.采用X個(gè)應(yīng)力級，毎個(gè)應(yīng)力級取1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，磨削齒面未電r束改性齒輪 的疲勞壽命a據(jù)如表616所示農(nóng)616廨削廉di W輪疲芳Vf命Table6l6 Fatigue life of grinding and original gear應(yīng)力妤命/lO3463.6583679-981383&39541430445304673.2745081.520527L969對試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行處小二乘法擬介.得到町靠度為50%的SN曲線如圖6.15.Fig614 S-N of grinding and

39、 original gear(sumssans麝削仍面電子束改性悅輪的疲勞命如農(nóng)67所示農(nóng)67席削曲射齒輪疲勞命Tab】e67 Fatigue life of grinding and EB gearW 力(MPa)存命(105)4171366429304352-896448L7414764,75349223985211.373對試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行對數(shù)坐標(biāo)的最小二乘法擬合，得到可靠度為50%的SN曲線. 如圖66.將兩種處理工藝的齒輪輪齒S-N曲線放到同一坐標(biāo)系比較，如圖6.17所示, 兩種輪齒在M靠度50%卜彎曲疲勞極限對比如表68。(sin)切 sans圖66曆削電了束改性齒輪SN曲線Fig616

40、 S-N curve of bending fatigue1010訶10*壽命（N）5 4(Ed迂)二岌圖6J7磨rwa輪兩種I：況下S-N比較Fig-6J 7 Comparison of test resuh(R=0.5)A6.I8可黨度50%下彎曲疲炒極限Table6.l K Fatigue strength com parison of test憑勞強(qiáng)度/MPab豹和電4； 訕京始/b濟(jì)削jft殆b 悄電了僚b磨制協(xié)始392416+6.1%由上表可知磨削齒面的齒輪經(jīng)過電子束的改性后，輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度在可 靠度50%卜提高6J%o磨削與電子束改性前后齒輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度對比將未腭削和磨削

41、應(yīng)面齒輪電了束改性前后輪齒的彎仙疲勞強(qiáng)度結(jié)進(jìn)行比較（在R=5（）%時(shí)）.如農(nóng)69。未炳削齒輪經(jīng)電了束改性后輪W彎曲疲勞強(qiáng)度降低了 14%.磨削齒ifii齒輪經(jīng)電了束改性后輪齒彎仙疲勞強(qiáng)度提高了 6.1%,齒輪的磨削 工藝對其輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度彫響較人，經(jīng)過磨削T藝，原始齒輪和電子束改性 齒輪的輪齒彎曲強(qiáng)度分別堀加了 522%和8&2%回回農(nóng)6J9耒曆rw和曆rw齒輪電了束改性詢后輪齒彎曲強(qiáng)度Tablc6.19 Bending strength grinding and not grinding1：藝原始齒輪（MPG電/來攻性W絵（MPG25722114%392416+6,1%+522%+88.

42、2%6.5.3分析與討論齒輪在使用過程中，材料的表層碩度、表面粗糙度、表面應(yīng)力狀況及表面形 貌和組織對裂紋的形成起著較人的作用，卞面從這幾個(gè)方面進(jìn)行分析討論。顯微碩度對比將原始齒輪和電子改性后的齒輪各切下一個(gè)齒，表面清理后在顯微碩度測量 儀(HX-1 ()()()上對齒根截面進(jìn)行多點(diǎn)碩度測量，測量的平均碩度對比結(jié)果如圖 6.18所示昭。對未磨削齒輪和磨削齒輪，經(jīng)電子束改性后，齒根碩度在深度2mm內(nèi)有一定 程度的降低，降幅最人超過lOOHV。電子束照射以后，未磨削的齒輪齒根平均碩 度減少13.3%.磨削的齒輪齒根平均碩度減少21.9%.隨測量深度增加，齒根碩度 曲線先是稍有升高，隨后較人幅度卞降

43、，然后趨于平穩(wěn)達(dá)到芯部碩度。經(jīng)分析， 這應(yīng)該由于齒輪在多次電子束照射后由于能量的沉枳而發(fā)生了低溫退火。結(jié)合金 佚玉的研究，電子束能夠使4()Cr材料的表面碩度提高或者降低，因此電子束材料 表ffl改性具有表面強(qiáng)化和退火的雙重作用2小齒輪在真空環(huán)境經(jīng)電子束改性, 積攢了較多熱能難以散失，導(dǎo)致齒根部出現(xiàn)退火效應(yīng)，使碩度有所降低。23離農(nóng)而距離mm)原始樣件 T- Ml r束處珅樣件叱弘加d加d加皿7665544332 2(ND戀矽農(nóng)煙4T-原始梯件離表面距離()4(M)TO M3 3(a) 木磨削齒輪齒根的硬度(b) 磨削齒輪齒根的硬度圖618硬度測試結(jié)果Fig6l8 Microhardness

44、of gear 表面粗糙度對比用TR-2()0型粗糙度儀測量齒根表面的粗糙度，每種齒輪取3個(gè)測均值，對比 電子束改性前后的粗糙度，結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。未磨削和已磨削的齒輪齒根粗 糙度都有不同程度的升高，其粗糙度對比如圖6.19所示。從理論上來講，電子束 在材料表面的照射改性作用發(fā)生熔化。微觀上，熔化金屬由于液體張力的存在會 快速從表面的高峰出流向洼地。從這個(gè)意義上來講，電子束材料表面改性有利于 降低材料表面的粗糙度。而窮外一個(gè)方面，電子束材料改性由于亞表屋溫度!高, 形成火山噴發(fā)效應(yīng)而引起表層金屬液體濺射，出現(xiàn)火山坑，這會促使金屬表面粗 糙度提高.電子束改性材料表面粗糙度的變化是以上兩個(gè)過程此

45、消彼長的綜介結(jié) 來.在此試驗(yàn)參數(shù)條件K粗糙度升高起主婆作用22. 齒根農(nóng)面妓余應(yīng)力根據(jù)X射線應(yīng)力測定方法(GB77()487),對電子束改性前后齒輪的齒根進(jìn) 行表而殘余應(yīng)力測定.原始齒輪齒根的表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力472MPa,電子束改 性齒輪齒根表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力635 M Pa。崔6.20齒糧改性前石粗5度TabIe6-2() Roughness before and after irrudiution未磨削腭削原始齒輪0.6670.151照射齒輪0.6970,204+4.5%+35.1%電子束改性前齒輪齒面的殘余應(yīng)力是由加工工藝產(chǎn)生的。齒輪齒面經(jīng)過電子 束乖熔以后，應(yīng)力得到釋放，在冷卻的

46、過程中，形成了新的拉應(yīng)力.406材料表 面經(jīng)電子束改性乖熔將產(chǎn)生部分殘余奧氏休H】，由于奧氏體比容較小，導(dǎo)致齒輪的 齒面產(chǎn)生更人的拉應(yīng)力。0.6/ / / /、/0.0圖619齒輪改性前岳粗粉度Fig.6.19 Roughness contrast before and after irradiation農(nóng)而形貌及組織變化將輪齒從齒輪卜割切股洗凈，用光學(xué)金柑証微鏡觀察齒根我面形貌。將沿截 面去除一層后利用金相砂紙磨削后拋光，然后用體枳濃度4%的硝酸酒精溶液対其 輪齒截面腐蝕、吹干。最后在JSM-6460LV型打描電子顯微鏡匕觀察截面組織和金相顯微鏡卜觀察齒根截面輪酬。從前面結(jié)果可以看出，磨削齒

47、輪經(jīng)電子束改性后表面粗糙度有一定程度的升 高,然而通過比較圖6.20中、(b)和(C)可以觀察到，電子束改性對磨削后齒輪的 齒很表而仃一定的拋光效果.圖6.20(町顯示齒輪齒根經(jīng)廉削后表而冇較清晰的曆 痕，經(jīng)電子束改性話，如圖6.20(b).尖銳的踴痕平緩了很賽，部分被消除，農(nóng)而 狀況得到改善.圖6.2()(c)是未經(jīng)磨削的齒輪齒根經(jīng)電子束改性的表面形貌.粗人 而應(yīng)尖銳的刀痕依稀可見，還有很多熔坑分布在刀痕底部.電子束的改性不僅沒 起到改善表面狀況的作用，還仃町能因?yàn)楸矶a(chǎn)生的拉應(yīng)力進(jìn)一步惡化了齒根 的農(nóng)面狀況，井進(jìn)一步加劇齒根應(yīng)力集中.材料電了束改性后的衣而狀況収決于 丿京治農(nóng)面狀況和材料

48、本身的裂紋源，當(dāng)原始狀況太差，裂紋源較箏，在電子束改 性產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下而匯聚增人，使得表面更差圖6.21展示了糜削齒輪號未磨削齒輪在電子束改性前后的齒很截面輪廓.由 圖町知磨削齒輪經(jīng)電子束改性后，齒根依然平滑.如圖6.21(C)和6.21 (d)未 磨削齒輪因根經(jīng)電子束改性石th現(xiàn)明顯的棱角，&面也11凸不平。岡而經(jīng)電了束 改性后，表面狀況并沒有得到改善，棱角依然保持了卜來。當(dāng)齒輪在受我悄況時(shí), 這種加工刀痕會引起較大應(yīng)力集中，加速疲勞裂紋的擴(kuò)展卩切。EllOOim(a)lfWI的齒絵改性溝: (b)ifwi齒輪電f skA性e八/ 5 1 :十I j：i (c) 未禽削齒輪電子束改性后圖

49、6.20電r束改性前岳齒根農(nóng)m形貌Fig.6.20 Surface lopography in tccih root(b)磨削齒輪電孑束改性岳(a)磨削齒輪電r柬改性前)(c)未磨削齒輪電f束改性前OOuni吒SB(未磨削齒輪電n束改性石圖6.21電束改拄前后齒根截面形貌Fig-6-21 Section morphology of dedendum before and after electron beam圖6.22顯示了磨削和未磨削的齒輪經(jīng)過電子束改性后齒根的截面組織形貌， 其中圖6.22(a)顯示出磨削后的齒輪經(jīng)過電子束改性石齒根表層出現(xiàn)與基體有明顯 差異的改性層。位于表層的材料由于電子束的加熱在脈沖時(shí)間內(nèi)溫度迅速升高并 熔化，第二相通過液相和高溫?cái)U(kuò)散后尺寸快速變小，隨后的快速冷卻過程晶粒的