齒輪的內(nèi)在質(zhì)量主要取決于齒輪材料和熱處理。由于熱處理為特殊工藝所賦予產(chǎn)品的質(zhì)量特性往往不能直觀其內(nèi)在質(zhì)量，屬于“內(nèi)科”范疇。對(duì)此，需要通過特殊的設(shè)備與儀器（如：各種硬度計(jì)或硬度檢測(cè)儀、金相顯微鏡、各種力學(xué)性能機(jī)等）對(duì)齒輪熱處理生產(chǎn)全過程（從原材料入廠到熱處理中間及最終檢驗(yàn)）進(jìn)行檢測(cè)，以確保齒輪獲得優(yōu)質(zhì)的熱處理質(zhì)量?，F(xiàn)將常用及先進(jìn)齒輪熱處理檢測(cè)設(shè)備與儀器做一較全面的介紹。
常用齒輪熱處理檢測(cè)設(shè)備與儀器
（1）原材料檢驗(yàn)設(shè)備及儀器
主要用于齒輪等零件的成分光譜分析、鋼中成分偏析與帶狀組織、鋼中非金屬夾雜物檢驗(yàn)等。成分光譜分析設(shè)備用于成分光譜分析。光譜分析設(shè)備包括熒光X射線光譜分析設(shè)備、原子發(fā)射光譜分析設(shè)備和原子吸收光譜分析設(shè)備等。表1為成分光譜分析設(shè)備分類。
表1 成分光譜分析設(shè)備分類
分類方式 | 儀器名稱 |
熒光X射線分析常用儀器設(shè)備 | 根據(jù)能量分辨原理不同，可分為波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀、能量色散X射線熒光光譜儀和非色散光譜儀 |
原子發(fā)射光譜分析常用儀器設(shè)備 | 火焰發(fā)射光譜儀、微波等離子體光譜儀、電感耦合等離子體光譜儀、光電光譜儀、色譜儀等 |
（2）顯微組織檢驗(yàn)設(shè)備
顯微組織檢驗(yàn)是借助于金相顯微鏡檢驗(yàn)齒輪等零件用鋼的內(nèi)部組織及其缺陷，包括奧氏體晶粒的測(cè)定，以及鋼中非金屬夾雜物、脫碳層深度和鋼中化學(xué)成分偏析的檢驗(yàn)等。還用于齒輪的普通熱處理、化學(xué)熱處理、表面熱處理等的金相檢驗(yàn)。典型金相顯微鏡如表2所示。日本奧林巴斯GX51型倒置金相系統(tǒng)顯微鏡見圖1。
表2 典型金相顯微鏡
產(chǎn)地 | 顯微鏡名稱 |
國產(chǎn) | 上海光學(xué)儀器廠的4XI、4XB、9XB型金相顯微鏡以及南京江南光電集團(tuán)的XJL系列、XJG系列等 |
國外 | 德國“卡爾·蔡司”ZEISS系列材料顯微鏡，日本“奧林巴斯”OLYMPUS系列光學(xué)顯微鏡（如IX51、IX71、GX51、GX71型倒置顯微鏡）等 |
圖1 日本奧林巴斯GX51型倒置金相系統(tǒng)顯微鏡
大型齒輪進(jìn)行顯微組織無損檢測(cè)時(shí)，可直接在被檢測(cè)的物品上進(jìn)行磨拋、浸蝕及金相檢測(cè)。表3為國內(nèi)外大型齒輪的金相檢驗(yàn)儀器。
表3 國內(nèi)外大型齒輪的金相檢驗(yàn)儀器
產(chǎn)地 | 顯微鏡名稱 |
國產(chǎn) | 國產(chǎn)的XH-500型現(xiàn)場(chǎng)金相檢查裝置附有手提式微型電動(dòng)拋光器，電解拋光（浸蝕）裝置及小的磨光砂輪等，使用較為方便 |
北京萬泰的XJB型數(shù)字圖像現(xiàn)場(chǎng)金相分析儀配置筆記本計(jì)算機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、圖像分析軟件，可現(xiàn)場(chǎng)完成金相制樣、觀察、照相、圖像采集、儲(chǔ)存和定量分析等工作 | |
國外 | 美國PTI-5000、2000、1800型現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)儀，自帶微型電源，無需交流電源，具有最新打磨工藝，無需砂紙，快速制樣，圖像動(dòng)態(tài)采集300萬像素，靜態(tài)采集1200萬像素。放大倍率100×~1000× |
（3）力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備
力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備主要用于齒輪等零件的硬度試驗(yàn)、靜拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等。
1）硬度試驗(yàn)設(shè)備
主要有布氏硬度計(jì)、洛氏硬度機(jī)、維氏硬度計(jì)、顯微硬度計(jì)、肖氏硬度計(jì)及里氏硬度計(jì)等。它們的應(yīng)用范圍有較大的區(qū)別。幾種硬度計(jì)的適用范圍和特性對(duì)比如表4所示。
表4 常見硬度計(jì)的適用范圍和特性
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國產(chǎn)齒輪洛氏硬度計(jì)（測(cè)試齒輪齒面硬度）型號(hào)有G6（用于模數(shù)2.5~35mm齒輪）、G28（用于模數(shù)3~70mm齒輪）等。便攜式齒輪硬度計(jì)規(guī)格參數(shù)如表5所示。
表5 便攜式齒輪硬度計(jì)規(guī)格參數(shù)
型號(hào) | 規(guī)格 | 精度 |
NFF NFN NFP NFR NFS NFH | 模數(shù)m＝2~10mm，最大公法線長(zhǎng)度140mm，節(jié)圓直徑30~40mm m＝3~35mm，最大公法線長(zhǎng)度400mm m＝3~35mm，最大公法線長(zhǎng)度700mm m＝3~35mm，最大公法線長(zhǎng)度1000mm m＝3~35mm，最大公法線長(zhǎng)度1500mm 內(nèi)齒模數(shù)m＞3mm，最大公法線長(zhǎng)度80~118mm | ±2HRC |
N9Y | 螺旋齒面，模數(shù)m＝3~32mm |
注：1）N7N、N7P、N7R、N7S型帶特殊裝置時(shí)，模數(shù)m可達(dá)35~70mm；
2）可選擇HRA、HR15、HR30N、HR45N測(cè)試方法。
2）靜拉伸試驗(yàn)設(shè)備
在齒輪等零件材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，最常用的設(shè)備是萬能材料試驗(yàn)機(jī)，它可以進(jìn)行拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗(yàn)。表6為靜拉伸試驗(yàn)設(shè)備。
表6 靜拉伸試驗(yàn)設(shè)備
設(shè)備名稱 | 設(shè)備型號(hào) |
液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī) | 國產(chǎn)型號(hào)有WE100、WE300、WE600、WE1000型等 |
電子萬能材料試驗(yàn)機(jī) | 國產(chǎn)WDS100型、CMT5000系列；國外有日本“島津”AG-X系列等 |
3）沖擊試驗(yàn)設(shè)備
沖擊試驗(yàn)時(shí)，用沖斷試樣所消耗的功或試樣斷口形貌特點(diǎn)，經(jīng)過整理得到規(guī)定定義的沖擊性能指標(biāo)。表7為常用沖擊試驗(yàn)設(shè)備分類與型號(hào)。
表7 常用沖擊試驗(yàn)設(shè)備分類與型號(hào)
試驗(yàn)機(jī)分類方式 | 試驗(yàn)機(jī)名稱與型號(hào) |
沖擊方式 | 落錘式、擺錘式和回轉(zhuǎn)圓盤式。其中，擺錘式試驗(yàn)機(jī)的型號(hào)主要有JB300、JB300A和JB300B等 |
試樣受力狀態(tài) | 彎曲沖擊、拉伸沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊等 |
（4）無損檢測(cè)設(shè)備及儀器
無損檢測(cè)設(shè)備及儀器主要用于齒輪等零件內(nèi)部缺陷無損檢測(cè)、表層缺陷無損檢測(cè)等。
1）內(nèi)部缺陷無損檢測(cè)設(shè)備及儀器
內(nèi)部缺陷無損檢測(cè)用于齒輪等零件的內(nèi)部缺陷無損檢測(cè)，可以對(duì)畸變、裂紋、應(yīng)力變化、材料組織缺陷等檢測(cè)。其主要檢測(cè)儀器有射線檢測(cè)機(jī)、超聲波檢測(cè)儀、聲發(fā)射檢測(cè)儀等。表8為常用無損檢測(cè)設(shè)備及其用途與分類。
表8 常用無損檢測(cè)設(shè)備及其用途與分類
設(shè)備名稱 | 用途 | 分類 |
X射線檢測(cè)設(shè)備 | 應(yīng)用X射線或γ射線透照或透視的方法來檢驗(yàn)成品和半成品中的內(nèi)部宏觀缺陷 | 按其結(jié)構(gòu)形式大致可分為兩大類：移動(dòng)式X射線機(jī)和攜帶式X射線機(jī)。移動(dòng)式型號(hào)有XYY-2515、XYT-3010、XYD-4010X等。攜帶式型號(hào)有國產(chǎn)XXQ-2005、2505、3005，XXH（P）-2005、3005，XXG-2505等。國外有日本產(chǎn)RF-200EG-SP型等 |
超聲波檢測(cè)設(shè)備 | 超聲波檢測(cè)技術(shù)主要用于在不破壞金屬材料的情況下，常用物理、化學(xué)等手段和方法來探測(cè)所檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部和表面的各種潛在缺陷 | 根據(jù)其顯示可分為A型、B型、C型、準(zhǔn)二維顯示超聲波檢測(cè)儀和超聲透視檢測(cè)儀等。幾種超聲波檢測(cè)儀的型號(hào)為：CTS-22、CTS-26，XCTY-11，JTS-5，JTSZ-1，CST-7，TUD210~360等 |
聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備及儀器 | 聲發(fā)射技術(shù)是一種評(píng)價(jià)材料或構(gòu)件損傷的動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)診斷技術(shù)。它是通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的處理和分析來評(píng)價(jià)缺陷的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，并確定缺陷位置 | 常見類型有單通道聲發(fā)射檢測(cè)儀、多通道聲發(fā)射源定位和分析儀等 |
2）表層缺陷無損檢測(cè)設(shè)備
無損檢測(cè)的目的在于檢出和測(cè)量位于材料和齒輪等零件表面的缺陷或近表面下的隱匿缺陷。常用檢測(cè)設(shè)備有磁力檢測(cè)設(shè)備、滲透檢測(cè)設(shè)備及渦流檢測(cè)設(shè)備等。表9為常用表層缺陷無損檢測(cè)設(shè)備及其組成。
表9 常用表層缺陷無損檢測(cè)設(shè)備及其組成
設(shè)備名稱 | 設(shè)備組成與分類 |
磁力檢測(cè)設(shè)備 | 由主體裝置和附屬裝置組成。主體裝置也稱磁化裝置，磁化裝置有多種形式：如降壓變壓器式、蓄電器充放電式、可控硅控制單脈沖式、電磁鐵式和交叉線圈式。目前在固定式磁粉探傷設(shè)備中，用得比較多的是降壓變壓器式，而在攜帶式小型磁粉檢測(cè)設(shè)備中用得多的是電磁鐵式。磁粉探傷機(jī)有固定型系列CEW-100、500、2000、4000、6000、9000、12500等，移動(dòng)式有CY500、1000、2000、3000、5000等 |
滲透檢測(cè)設(shè)備 | 一般分為四類：固定式、便攜式、自動(dòng)化及專業(yè)化滲透檢測(cè)裝置 |
渦流檢測(cè)設(shè)備 | 主要由渦流檢驗(yàn)線圈和渦流檢測(cè)儀等組成 |
（5）疲勞試驗(yàn)機(jī)
失效的機(jī)器零件約有80%的為疲勞破壞。采用疲勞試驗(yàn)機(jī)研究齒輪等零件在交變載荷作用下斷裂的能力非常重要。常用齒輪疲勞試驗(yàn)機(jī)如表10所示。
表10 常用齒輪疲勞試驗(yàn)機(jī)
分類方式 | 設(shè)備組成、技術(shù)參數(shù) |
齒輪接觸疲勞試驗(yàn)機(jī) | 如國產(chǎn)JG-150型機(jī)械功率全封閉型試驗(yàn)機(jī)，其中心距為150mm，最大加載扭矩為1960N·m，用50號(hào)極壓工業(yè)齒輪油潤滑，油溫50~60℃。國外如德國STRAMA公司生產(chǎn)的中心距為160mm的標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)機(jī) |
齒輪接觸磨損疲勞疲勞試驗(yàn)機(jī) | 如德國GIM齒輪接觸磨損疲勞疲勞試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格：試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向無級(jí)可調(diào)，轉(zhuǎn)速范圍：±（0~4500）r/min；試驗(yàn)臺(tái)的扭矩加載應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向無級(jí)可調(diào)，扭矩范圍：±（0~2000）N·m |
齒輪雙齒脈沖彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī) | 如PW-10型10t高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，通過雙齒對(duì)稱脈沖加載進(jìn)行，頻率為130~135Hz ，條件疲勞試驗(yàn)極限為3×106 |
齒輪拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī) | 如PLG-300C拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)齒輪進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，通過對(duì)齒輪進(jìn)行脈動(dòng)加載，直至出現(xiàn)彎曲疲勞失效（加載頻率降低）或越出（加載周期≥3×106） |
齒輪FZG膠合試驗(yàn)機(jī) | 如國產(chǎn)CL-100型試驗(yàn)機(jī)，用L-AN68機(jī)械油潤滑。大小兩個(gè)齒輪進(jìn)行試驗(yàn)，判定膠合性能的指標(biāo)：膠合承載級(jí)別；膠合溫度 |
變速器（齒輪）的試驗(yàn)臺(tái) | 如英國CD110型變速器試驗(yàn)臺(tái)，用于測(cè)試齒輪箱、差速器和變速驅(qū)動(dòng)橋等。其循環(huán)功率400kW，變頻器的輸入速度高達(dá)3000rpm，有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)COMPEND 2000計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供自動(dòng)測(cè)試控制 |
驅(qū)動(dòng)橋（齒輪）的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī) | 有專用的閉式或開式齒輪試驗(yàn)機(jī)兩種。如國產(chǎn)QKT7-1型，不需要陪襯齒輪，可進(jìn)行輸入扭矩20000N·m以下的驅(qū)動(dòng)橋齒輪試驗(yàn) |
（6）磨損試驗(yàn)機(jī)
主要用于檢測(cè)齒輪等零件材料在摩擦力作用下其表面形狀、尺寸發(fā)生的磨損情況，可了解金屬材料的化學(xué)成分、組織狀態(tài)以及力學(xué)性能與磨損的關(guān)系，為利用熱處理尤其是化學(xué)熱處理、表面涂覆技術(shù)等大幅度提高材料的耐磨性提供依據(jù)。齒輪磨損試驗(yàn)機(jī)有國產(chǎn)MR-C1型、MRC-1型FZG、CL-100型等。
先進(jìn)的齒輪熱處理檢測(cè)設(shè)備與儀器
1、國外用于生產(chǎn)過程控制的先進(jìn)硬度計(jì)
（1）齒輪熱處理檢驗(yàn)用硬度計(jì)
1）布氏硬度計(jì)
①國外臺(tái)式及大型落地式布氏硬度計(jì)：采用載荷—深度比較法作為其測(cè)試方法，直接數(shù)顯，如瑞士ERNST公司產(chǎn)品，其示值誤差和示值重復(fù)性都遠(yuǎn)優(yōu)于GB的要求，并具有圓柱面校正等特點(diǎn)。因此，完全可以取代傳統(tǒng)的采用光學(xué)壓痕直接測(cè)試方法的布氏硬度計(jì)。
②便攜式布氏硬度計(jì)：國外如瑞士ERNST公司的STE型便攜式布氏硬度計(jì)替代捶擊硬度計(jì)，其測(cè)量結(jié)果可以同臺(tái)式機(jī)相媲美，完全符合GB標(biāo)準(zhǔn)，直接在樣品上測(cè)試，穩(wěn)定性好。
2）洛氏硬度計(jì)
①臺(tái)式硬度計(jì)：國外如德國洛氏硬度計(jì)，一般多安裝有鉗位罩和壓頭保護(hù)套。
②便攜式洛氏硬度計(jì)：國外如瑞士ERNST公司的COMPUTEST型便攜式洛氏硬度計(jì)，采用5kg載荷（符合ISO標(biāo)準(zhǔn)），穩(wěn)定性好，其測(cè)試原理完全符合洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)。
3）維氏硬度計(jì)
①臺(tái)式維氏硬度計(jì)：如瑞士ERNST公司生產(chǎn)一種能夠直接數(shù)顯的靜載荷維氏硬度機(jī)，具有測(cè)試速度快，測(cè)試任意方向、適應(yīng)樣品全、載荷最小可達(dá)200g，壓頭小，可測(cè)試極小溝槽和模數(shù)1.5mm的齒輪等特點(diǎn)。
②便攜式維氏硬度計(jì)：如國外瑞士公司生產(chǎn)這種產(chǎn)品采用電阻的變化來測(cè)量壓痕深度的方法，通過與標(biāo)準(zhǔn)硬度曲線對(duì)比，能夠得到在極小壓痕的情況下非常穩(wěn)定、精確的測(cè)試結(jié)果。
4）里氏硬度計(jì)
如瑞士Proceq SA公司的EQUOTIP3型便攜式硬度計(jì)，測(cè)量精度高：±4HLD/0.5%（HLD＝800時(shí)）。
（2）淬硬層硬度和深度的測(cè)量硬度計(jì)
如瑞士ERNST公司開發(fā)一種能夠直接數(shù)顯淬硬層深度和表面硬度的900型硬度計(jì)。它能夠在不破壞樣品的情況下，采用電阻法獲得淬硬層硬度隨深度變化的曲線，從而得到淬硬層深度和表面硬度。
2、國外熱處理無損檢測(cè)設(shè)備與儀器
（1）感應(yīng)淬火硬化層深度無損檢測(cè)設(shè)備與儀器
1）P3121型無損檢測(cè)儀
德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)的無損檢測(cè)研究所（IZFP）生產(chǎn)的P3121型超聲波背散射硬化層深度測(cè)定儀（見圖2）是利用超聲波技術(shù)，在不損壞被檢材料的情況下，測(cè)定感應(yīng)淬火工件的硬化層厚度。
圖2 德國P3121型硬化層深度無損測(cè)定儀
2）技術(shù)參數(shù)
①超聲脈沖發(fā)生器；②超聲接收頻率：5~30MHz；③4個(gè)檢測(cè)通道；④信號(hào)平均處理；⑤通過特制楔塊實(shí)現(xiàn)聲學(xué)耦合；⑥傳感器/探測(cè)器。
3）產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
①測(cè)量系統(tǒng)可以集成到生產(chǎn)工藝中去，為連續(xù)的高質(zhì)量生產(chǎn)工藝提供保障；②快速得到測(cè)量結(jié)果，每次測(cè)量只需幾秒鐘，減少停機(jī)時(shí)間，提高檢測(cè)效率；③為質(zhì)量管理信息系統(tǒng)提供監(jiān)控和淬硬層深度分析功能。
（2）3MAII型多項(xiàng)目無損檢測(cè)設(shè)備
1）設(shè)備
如微磁測(cè)量技術(shù)—3MAII型測(cè)量?jī)x?？捎糜跍y(cè)量鐵磁材料的零部件多項(xiàng)目的無損檢測(cè)?？梢宰龅綗o接觸、全自動(dòng)并且可以集成在生產(chǎn)線上。檢測(cè)速度快，能夠做到100%產(chǎn)品檢驗(yàn)。
2）用途
可以無損測(cè)定的目標(biāo)數(shù)據(jù)如下：①硬度，硬化剖面，硬化層厚度（Rht、Eht、Nht）。②拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性質(zhì)（Rm、Rp、ReL、ReU、A等）。③表面和內(nèi)部殘留應(yīng)力。④殘留奧氏體含量，晶粒大小。
3、滲碳層深度無損測(cè)量?jī)x
以往采用宏觀斷口法、顯微組織法和等溫淬火法檢測(cè)齒輪等零件（試樣）表面滲層深度，但這些方法都是破壞性，且檢測(cè)速度慢，無法實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)。對(duì)此，可采用先進(jìn)的無損測(cè)量?jī)x。
德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)的無損檢測(cè)技術(shù)研究所生產(chǎn)的3MAⅡA型滲碳層深度無損測(cè)量?jī)x（見圖3）是最新研發(fā)的一種測(cè)定表面層性能的無損測(cè)量?jī)x。該滲碳層深度無損測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程全自動(dòng)，并將檢測(cè)設(shè)備集成到生產(chǎn)工藝中，具有測(cè)量速度快，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行100%檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。3MAⅡA型滲碳層深度無損測(cè)量?jī)x對(duì)邊緣層0~8mm厚度的齒輪等零件多個(gè)相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行快速同步評(píng)估。同時(shí)可以綜合分析不同微結(jié)構(gòu)狀態(tài)和應(yīng)力敏感檢測(cè)值的大小。該方法采用提前校正，根據(jù)大量回歸分析和漸近函數(shù)，確定產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)（目標(biāo)值）。
圖3 德國3MAⅡA型滲碳層深度無損測(cè)量?jī)x
作者：金榮植
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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