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科学新讯


第 8 卷- 2020 年 12 月刊
通过X射线衍射技术绘制滚珠轴承中的残余应力分布图



图1:滚珠轴承


图2:钢制滚珠的制造过程。将一根钢丝压入模具中,创建一个带有“极点”的球。经过几道工序(未显示)后,滚珠变得光滑有光泽


(1)


(2)


图3:设置球体映射设备,使其适用于半径为0.75英寸的钢制滚珠


图4:在直径为1.125英寸的球体上的12个预定位置获得残余应力





图5a:从正面(顶部图像)和背面(底部图像)显示,92个位置的直径为1.125英寸的球体的残余应力图





图5b:从正面(顶部图像)和背面(底部图像)显示,背面划伤的直径为1.125英寸的球体的残余应力图

滚珠轴承由保持在内圈和外圈之间的圆形滚珠组成(图1),它们主要用于促进旋转运动。它们通常出现在如飞机、汽车和家用电器这些安全至关重要或寿命有限的器械组件中。这些轴承中的滚珠很重要,因为它们减少了零件的整体磨损,大大延长了所用产品的疲劳寿命。因此,它们必须通过细致、系统的工序进行制造,以消除因其缺陷导致过早失效的可能性。

要制造轴承中使用的滚珠,应先将钢丝切成段,然后在模具中成型以形成粗糙的球形状。接下来的几道工序是进一步将滚珠研磨光滑,并确保它们具有镜面光洁度(图2)。一旦达到适当的形状和光洁度,即可通过热处理淬火工艺使滚珠硬化。[1]最后,对钢制滚珠进行几次质量保证检查,以确保其均匀性和适用性。这些精心细致的制造措施有助于确保将所需的性能特性赋予轴承,从而提高组件在其使用过程中的安全性。如果未达到滚珠的所需形状、物理性能和冶金特性,则轴承的安全性和效率都会受到损害。

但是,尽管付出了巨大的努力来确保制造出具有适当形状、尺寸和光洁度的滚珠,但滚珠的有效性或寿命仍可能会降低。这是因为在其制造中使用的方法以及在使用前为实现所需机械性能和微结构的其他设计过程中,可能会存在不希望的残余应力(RS)。RS是在没有任何外部负荷的情况下存在于物体中的应力。这种应力是由于零件在制造过程中发生塑性变形产生的。RS对零件性能的影响取决于应力的大小和方向,可能是有利的,也可能是有害的。拉伸RS倾向于导致开裂,并且更可能导致零件的早期报废,而压缩RS倾向于增加疲劳强度、疲劳寿命和抗龟裂性。[2]

对于在滚珠轴承中使用的滚珠,由于滚珠以不均匀的方式制成,表征存在于整个球体中的残余应力就变得非常重要。从钢丝上切下成钢丝段,然后将其压制成球体,其结果是,成品具有“极点”(图2)。这些极点及其周围区域与球体的其他区域相比,可以具有不同的材料属性(包括RS、残余奥氏体百分数和位错密度),因此能够无损定位这些极点非常重要。这些信息可以帮助制造商更好地预测疲劳寿命,最大程度地减少故障,优化制造,增强冶金特性以及确定因使用而导致的潜在问题区域。

有几种方法可用于确定球体中的RS。有限元分析(FEA)可以通过计算来预测应力,但是其精度在很大程度上取决于对精确材料特性的经验知识,更重要的是,有关滚珠在制造和加工过程中所经受的热和冷加工工艺的假设的适用性。有时可以使用其他RS测量方法,例如纵切或钻孔。但是,它们具有破坏性,并依赖弹性恢复。由于与材料的屈服强度相比,轴承滚珠中的RS通常较高,因此,由于断面而造成的恢复通常是无弹性的,因此,使用这些方法获得的测量结果将有很大的风险。X射线衍射(XRD)方法提供了更好的解决方案:它对表面无损,因此可以在测量后继续使用零件,并且它不依赖于弹性回复,因此即使存在的RS大于材料的屈服强度时,它也是准确的。XRD通常在许多行业(包括汽车、航空航天和能源)中用于RS的测量,以确保在易产生与应力相关的故障的组件关键区域,具有适当的RS。

通常在零件的关键区域使用XRD来测量RS,根据观察到的裂纹或变形以及其他RS研究的结果或预测研究(例如FEA)的结果来选择其位置。但是,对于轴承滚珠来说,其明显的均质性和对称性使得用肉眼观察几乎无法识别带有RS问题的位置。只有整个表面的完整残余应力图才能确保不会遗漏有可能的区域或想不到的RS。这样,XRD非常适合映射球形物体中存在的RS。XRD可用于测量/采样直径小于0.5mm光点的RS,从而可以收集非常详细的RS图。这避免了在大面积范围对结果进行平均,并有助于捕获可能存在的任何表面RS梯度。

XRD方法使用晶体学平面之间的距离(d间距)作为应变仪,并且只能应用于晶体、多晶体和半晶体材料。[2]当材料处于拉伸状态时,d间距增大,而当材料处于压缩状态时,d间距减小。X射线检测仪可直接测量因材料中RS而产生的XRD角位置(峰位)的变化。[3]

对于已知x射线波长(λ)的任何整数倍(n),通过实验测量衍射角(2θ),然后使用布拉格定律计算d间距:

(1)

一旦在无应力(d0)和有应力(d)的条件下测量了d间距,就可以使用以下关系式计算应变(ε):

(2)

为了获得自动化、有效的结果,需要特殊的设备来提供球形物体RS状态的准确表示。因此,Proto开发了一种球体映射设备,该设备可将球体牢固地固定在XRD RS测量系统中(图3)。高速摩擦表面会导致球体旋转,从而可以接触到要测量的位置,并且可以自动测量很多位置。

图4所示为在具有相同直径1.125英寸的钢制滚珠上使用12个位置的测量结果的RS图,而图5a显示了在同一球体上使用92个位置的测量结果创建的图。显然,这12个点的图错过了球体中许多存在重要RS的区域。虽然图4中的RS结果范围大约为-72至-46ksi,但图5a显示了更大的范围:大约-95至-43ksi。因此,使用球体映射设备在多个位置进行测量可以提供有关滚珠轴承的RS状态显示更完整的图片。

球体映射也是一种有用的工具,可用于定位已在使用中或不均匀塑性变形/冷加工的金属球体上的应力区域。图5b显示了直径为1.125英寸的球体在沿表面的一部分进行刮擦以模拟非均匀使用状态后的RS图。损坏区域的位置清晰可见(下面以蓝色显示),并且对该区域中存在的RS进行了量化。该应用程序提供了一个有用的工具,可帮助制造商了解在何处赋予零件RS及何时应更换零件。

获得滚珠轴承或球体的完整XRD RS图具有许多益处。映射可以对整个球体上存在的RS进行彻底而完整的表征,从而可以轻松识别并随后校正问题区域。特别是对于钢制滚珠,通常可以使用球体映射设备定位由产品制造产生的“极点”,然后对其进行校正。这些极点的位置和大小的信息对于确保产品质量、寿命和使用安全至关重要。因此,这种精确且具有成本效益的RS映射方法可以确保用于滚珠轴承内的滚珠的可靠性。

参考文献

1.P. Eschmann, L. Hasbargen, and K. Weigand.Ball and Roller Bearings: Theory, Design, and Application, 2nd ed, J. Wiley and Sons, 1985.
2.I.C.Noyan and J.B.Cohen, Residual Stress: Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer-Verlag, 1987.
3.B.D.Cullity.Elements of X-ray Diffraction, 2nd ed., Addison-Wesley, 1978.
4.J. Lu et al., Handbook of Measurement of Residual Stress, Fairmont Press, 1996.
5.J. Pineault.M. Belassel, and M.E.Brauss.“X-Ray Diffraction Residual Stress Measurement in Failure Analysis,” ASM Handbook, vol. 11 (2002), pp. 484-497.



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