X射线测量残余应力在曲轴和连杆加工中的应用

(天润曲轴股份有限公司技术中心，威海 264413)

0 引言

曲轴、连杆等汽车零部件在加工过程中常采用表面感应淬火、气体氮化、圆角沉割槽滚压、喷丸[1]等强化工艺以获得较高的强度和使用寿命。强化后的零件表面一般都有较高的残余压应力。目前，测量残余应力的主要方法有钻孔法、分割切条释放法、逐层铣削法、X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法和电子散斑干涉法[2]。其中，X射线衍射法测量残余应力具有灵敏度和可靠性高、适用范围广、样件无损、可以确定应力方向等优势而得到广泛应用，其主要依据为弹性力学理论和X射线衍射理论[3]。本文结合试验测试，论述了X射线衍射仪在曲轴、连杆残余应力检测方面的应用，以推广X射线测量残余应力法，使其得到广泛的应用。

1 检测原理

X射线衍射主要角度几何关系如图1所示。目前的测量方法主要有同倾法和侧倾法。一定的应力状态会引起材料的晶格应变，这与宏观应变是一致的。当材料中存在残余应力时，晶面间距将发生变化。当发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离与应力大小相关。依据布拉格定律2dsinθ=nλ，用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2Ψ的斜率M，便可算出应力σ[4]。X射线应力衍射仪可以用于测量曲线残余应力、连杆残余应力、齿轮残余应力等。

图1 X射线衍射主要角度几何关系

2 检测工艺

2.1 检测仪器

使用STRESS3000 X射线衍射仪，采用直径为75 mm的测角仪，工作电压为30 kV，工作电流为9 mA。使用Struers公司的MoviPol-5电解抛光仪，对工件表面进行电解抛光腐蚀，实现对工件内部一定深度的残余应力进行测量。

2.2 检测条件和影响因素

X射线测量残余应力的测量深度仅约十几个μm。测量过程中的条件和主要影响因数：(1)工件表面应光滑平整，对于曲轴，轴颈表面至少要经过精磨，没有油污、锈斑、氧化皮等，文献[5]规定被测部位表面粗糙度Ra<10 μm；(2)测量过程中应确保测角仪摆动时，不会触碰工件，以免损伤准直器和测角仪；(3)使用合适的波长以减少X射线的穿透，选择合适的衍射角或使用较低的入射角；(4)X射线测量的残余应力值取决于照射面积大小和位置，如果衍射面积较小，可能会出现衍射晶体数量不足等问题；(5)弯曲表面会导致残余应力测量值偏低[6]。

3 主要应用及检测结果

3.1 监控淬火曲轴磨削后轴颈应力梯度

表面感应淬火技术是目前轴类零件表面强化的常用手段之一。通过固态相变，提高轴颈表面强度和硬度，从而提高其使用寿命[7]。高硬度的轴颈在砂轮磨削过程中极易出现磨削烧伤。使用X射线应力衍射仪可以无损地对轴颈表面进行残余应力检测，从而达到有效监控工件的磨削质量。

曲轴磨削过程中是否出现烧伤，经酸洗后检查就可发现。烧伤表面呈暗褐色或至黑色，无烧伤表面呈浅灰色。采用剥层法对烧伤和无烧伤曲轴轴颈表面(各取2点)的残余应力及应力梯度进行测量和对比。测量结果对比如表1和图2所示。由表1和图2可以看出，烧伤轴颈表面压应力下降，轴颈表面以下0.3 mm以内的压应力降低幅度较大，局部已经出现残余拉应力。

表1 不同磨削状态曲轴轴颈应力梯度测量结果

图2 不同磨削状态曲轴轴颈应力梯度

3.2 监控球铁曲轴沉割槽滚压效果

圆角沉割槽滚压是球墨铸铁曲轴强化的一种常用方式。该方法是在轴颈过渡圆角处沉割出与滚轮半径大小相同的圆角进行滚压，使表面层金属产生微塑性变形，产生表面残余压应力。目前对于滚压后的效果暂时没有合适的检测手段，故考虑采用X射线测量沉割槽内残余应力，以对滚压效果进行评价。为了细致研究滚压效果，本文采用电火花线切割机床切割曲轴轴颈，然后对曲柄销圆角沉割槽内整周的应力进行测量，测量位置见图3。

曲轴下止点圆角是曲轴的最薄弱区域，因此滚压机床对下止点圆角设置为全力滚压，加大强化效果，对上止点圆角进行半力滚压。本文设置对比试验，通过调整滚压参数，实现正反2个方向的滚压试验。正向滚压为下止点圆角全力滚压，上止点圆角半力滚压；反向滚压为下止点圆角半力滚压，上止点圆角全力滚压。切割试验样件后，测量圆角应力，结果见表2。由表2可以看出，采用反向滚压，下止点圆角变为半力滚压后，其圆角应力远低于上止点的应力。

图3 曲柄销圆角沉割槽内测量位置

表2 曲柄销圆角沉割槽内应力测量

3.3 监控连杆喷丸后强化效果

连杆毛坯锻造之后，采用喷丸去除表面氧化皮，同时进行喷丸强化。喷丸前表面有氧化皮，较粗糙，因此本文仅对喷丸后的连杆关键部位进行应力测量。不同钢材在成型过程中就存在铸造或锻造应力，其大小与材料本身及成型工艺有关。图4所示是喷丸后连杆关键部位测量点，表3所示为不同材质连杆喷丸后关键部位的表面应力分布情况。

表3 不同材质连杆喷丸后关键部位应力测量结果

连杆最容易失效的位置在杆部及大小头与杆部连接处，这些关键部位需要重点强化。由表3可见，杆部残余应力最高。

图4 喷丸后连杆关键部位测量点

4 结论

1) 针对表面感应淬火强化的曲轴，通过残余应力测量，可以有效监控和指导后续的磨削工艺；同时，采用电解抛光技术可以深入研究淬火区域内部的应力分布情况。

2) 针对滚压强化的曲轴，通过切割后进行圆角整周的残余应力测量，建立经验数据库。在后续的日常检验中通过对上止点圆角等容易测量区域的测量，可以有效监控滚压效果，并根据经验数据对下止点圆角滚压情况进行粗略评估。

3)针对喷丸强化的连杆、渗碳淬火的齿轮等零件，均可以通过应力测量对工件的关键部位进行强化效果评估。

4)针对零件的失效，比如变形、开裂、拉伤等方式，均可以采用残余应力测量进行有效分析，辅助评判。

5)对于已测量出残余应力分布的工件，可以通过软件模拟计算，开展工件的薄弱位置预测和使用寿命预估工作。