高速冷敲花键性能层力学性能及力学模型分析.pdf

第43卷第2期Vol． 43 No． 2FORGING 2．金属材料成形理论与技术山西省重点实验室,山西太原030024)摘要:分析了冷敲花键齿面力学性能的分布情况,并建立相关力学模型。在现有研究基础上,确定花键齿面性能层区域,进而确定本试验的测试点区域。利用纳米压痕测试技术,对测试点进行纳米压痕试验。得到了各测试点的载荷-位移曲线、显微硬度分布曲线、弹性模量分布曲线。通过分析显微硬度与弹性模量比值,研究了冷敲花键性能层抗磨损性能情况。结果显示:在距离花键表层80 μm处,从齿顶到齿根,硬度相对芯部依次提高15． 83%至36． 11%,显微硬度与弹性模量的比值依次由20． 50%提高至31． 88%;冷敲花键性能层是一种沿花键表层至芯部,以及沿齿顶、齿侧、齿根方向的空间梯度性能层。得到了该性能层加载-位移曲线以及显微硬度力学模型,该力学模型与其结构组织密切相关。关键词:高速冷敲花键;纳米压痕;显微硬度;弹性模量;抗磨损性能;力学模型DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2018． 02． 012中图分类号: TG315． 79 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2018) 02-0062-07Analysis on mechanical properties and mechanical model of performance layer forhigh speed cold roll-beating splineNiu Ting1,2, Li Yongtang1,2(1． School of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China;2． Shanxi Key Laboratory of Metal Forming Theory and Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract: The distribution of mechanical performance and the related mechanical model of high speed cold roll-beating spline were stud-ied. Based on the existing researches, the region of performance layer for spline was determined, and regions of test points were deter-mined. Then, the nanoindentation tests were conducted by nanoindentation technique, and the load displacement curves, microhardnessdistribution curves and elastic modulus distribution curves were obtained. Furthermore, the wear resistance of performance layer was stud-ied by analyzing the ratio of microhardness and elastic modulus. The results show that the microhardness increases from 15． 83% to36． 11% from the tooth top to the tooth roof away from the spline surface of 80 μm, and the ratio of microhardness and elastic modulus in-creases from 20． 50% to 31． 88%. However, the performance layer belongs to a spatial gradient performance layer, which is along thetooth top, the tooth flank to the tooth root and along the spline surface to the core. In addition, the mechanical models of loading displace-ment curve and the microhardness are obtained, which is closely related to the microstructure.Key words: high speed cold roll-beating spline; nanoindentation; microhardness; elastic modulus; wear resistance; mechanical model收稿日期: 2017 -10 -06;修订日期: 2017 -12 -21基金项目:国家自然科学基金资助项目(51475316);山西省重点学科建设经费资助作者简介:牛 婷(1986 - ),女,博士研究生E-mail: niuting861010@163． com通讯作者:李永堂(1957 - ),男,博士,教授E-mail: liyongtang@ tyust． edu． cn高速冷敲花键成形工艺是在调质处理后的坯料轴上进行高速击打形成花键齿,使花键齿表层一定深度内的性能在调质处理后的基础上进一步得到提升。相关研究表明,工件经过高速冷敲在花键的表层获得了一定深度的高性能层,该性能层相对冷敲前工件微观组织结构以及力学性能有很大的改变,经高速冷敲形成的花键可作为普通花键所不能用于的重要行业领域的重要承载零件[1 -3]。目前对于该性能层已经做了一些相关研究[4],得出了该性能层具有较高的强度、硬度以及耐磨性,但针对该性能层的力学性能参数研究还不够充足,并且整个花键齿面性能层的具体分布以及相关力学模型情况尚不是很清楚。高速冷敲成形属于局部表面成形,近表层性能显著提高,所以,该性能层有一定的尺寸限制,并且受到冷敲花键轴基万方数据体形状尺寸的影响,传统拉伸及压缩等性能测试方法不能进行。近年来,许多学者利用纳米压痕方法开展了大量的微纳米尺寸材料力学性能的研究,纳米压痕-深度试验广泛应用于薄膜以及受基体影响的工件的力学性能测试[5 -7],形成了相对成熟的均匀材料力学性能的测量原理。纳米压痕技术于20世纪80年代由美国的NanoInstruments公司研制开发,该技术实现了对试样加载的同时对变形量的检测,纳米压痕方法可以达到传统的力学测试方法不能达到的尺度,并且传统硬度试验测试中,压痕的面积是残余接触面积,该面积的计算是由测量压痕形状而得来的,所以,对于形状的测试会存在测量误差,而纳米压痕的接触面积是计算机通过面积函数算得的,所以结果更加精确。纳米压痕试验主要应用计算机控制载荷的连续变化,并实时进行压入深度的检测,连续记录整个加载和卸载过程,由于施加的是超低载荷,另外检测传感器具有1 nm的位移分辨率,所以,可以获得小到纳米级的深度,适用于受到基体影响的传统测试方法无法进行的以及超薄材料性能层的测试[8 -9]。曹丽琴利用纳米压痕技术研究了钛合金表层氮化层的硬度、模量强度等弹塑性力学性能,建立了组分相关的力学模型,探讨了整体激光氮化钛层力学性能分布规律[10]。马增胜利用纳米压痕针对测试件尺寸小,不易操作,以及力学性能受多种因素影响的薄材料进行力能测试,通过反推法得出了真实的金属薄材料的力学性能[11]。还有一些学者借助纳米压痕技术研究通过改变组织结构以及晶粒尺寸来获得空间梯度变化材料[12 -14]。本研究采用纳米压痕技术对冷敲花键齿面整体性能层的力学性能,包括载荷-位移曲线、显微硬度、弹性模量、抗磨损性进行试验研究,并对该性能层的力学模型进行探讨。从而更加全面地得出冷敲花键性能层的分布特点,对花键冷敲成形工艺实际生产提供重要的理论参考。1 试验原理及过程试验所用纳米压痕仪型号为Nano Indenter Agi-lent G200,选用MTS Nano Indenter XP系统的XP组件,压针选用金刚石Berkovich压针。试验过程中测试温度为25 ℃,环境空气湿度为55 RH%,具体试验参数为:恒应变速率为0． 05 s -1,热漂移速率1为图9b情况。根据以上分析得出冷敲花键硬度公式为:H = PA = Pπa2 = Cπh∗ 2tan2θ = σrπh∗ 2tan2θ·C1ln3 E∗σr( )+ C2ln2 E∗σr( )+ C3lnE∗σr( )+ C4[ ] (7)所以,冷敲花键性能层硬度不是定值,与加载曲率密切相关,最终决定于冷敲花键性能层的组织结构。图9 玻氏压头压入试件示意图(a)凹陷示意图 (b)凸起示意图Fig． 9 Schematic diagram of Berkovich indenterpressing in sample(a) Depressed schematic (b) Raised schematic4 结论(1)得到整个冷敲花键齿面载荷-位移曲线图,表明距离花键表层越近,压入相同深度所需力越大,弹性回复越好。(2)得到花键齿面显微硬度分布图、弹性模量分布图以及抗磨损能力分布图,得出冷敲花键性能层沿花键表层至芯部以及沿花键齿顶、齿侧、齿根性能呈空间梯度变化。沿花键表层至芯部的梯度随处于齿面位置不同梯度不同。沿齿顶、齿侧、齿根梯度依次增大,齿根中线梯度最大;沿花键齿顶、齿侧、齿根方向性能梯度基本一致;花键表层80 μm处硬度从齿侧至齿根硬度分别为4． 17,4． 52, 4． 62, 4． 84和4． 90 GPa,相对芯部硬度依次提高15．83%, 25．56%, 28．33%, 34．44%和36．11%;距花键表层80 μm处H/ E值从齿侧至齿根依次为0． 0194, 0． 0205, 0． 0204, 0． 0209, 0． 0211,相对芯部依次提高20． 50%, 27． 33%, 23． 64%, 29． 81%和31． 88%。 (3)得出冷敲花键的加载-位移曲线力学模型以及微观硬度力学模型: P = h2 · σr ·C1ln3 E∗σr( )+ C2ln2 E∗σr( )+ C3lnE∗σr( )+ C4[ ], H =σrπh∗ 2tan2θ C1ln3 E∗σr( )+ C2ln2 E∗σr( )+ C3lnE∗σr( )+ C4[ ],加载过程载荷及显微硬度值主要决定于冷敲花键性能层结构的变化。参考文献:[1] 李永堂,巨丽,牛婷,等.齿形轴类件冷体积成形研究现状及发展趋势[J].太原科技大学学报, 2015, 36 (3): 165 -169.Li Y T, Ju L, Niu T, et al. Research status and developmenttrend on cold forming of tooth-like shaft parts [ J]. Journal ofTaiyuan University of Science and Technology, 2015, 36 (3):165 -169.[2] 冯文杰,付森涛,夏泽雨,等.基于数值模拟的齿轮冷精整齿向精度预测[J].锻压技术, 2016, 41 (1): 52 -56.Feng W J, Fu S T, Xia Z Y, et al. Accuracy prediction of geardirection in cold sizing based on numerical simulation [J]. Forging● 2012 -2013年合订本(每本包含全年1 -6期杂志):140元/本;● 2014年合订本(上册) (包含上半年1 - 6期杂志)、 2014年合订本(下册) (包含下半年7 - 12期杂志):140元/本。直接通过编辑部订阅者,请与杂志发行部负责人史志文联系。并按编辑部地址汇款,款到后我们会定期寄给您刊物。邮局汇款信息:地址:北京市海淀区学清路18号北京机电研究所有限公司709室 邮编: 100083收款人: 《锻压技术》编辑部附言处:请注明“订阅《锻压技术》”联系方式:联系人:史志文 电话: 010 -62920652 -801 传真: 010 -62920652 -805 E-mail:hjshizhiwen@163． com《锻压技术》编辑部86锻 压 技 术 第43卷万方数据