Restspänningsmätningar i induktionshärdade kamringar

Sammanfattning

I Hägglunds hydraulmotorer finns en kamring som ythärdas genom

induktionshärdning. En robotbaserad induktionshärdningsutrustning som består

av två induktorer installerades ca 1995. Problem med bland annat

sprickbildning i kamringarna vid testning i motorprovlabbet medförde att det

tog något år innan induktionshärdningsutrustningen fungerade

tillfredställande.

En brant hårdhetsgradient mellan härdzon och grundmaterial anses vara till

fördel eftersom den bör ge högre utmattningshållfasthet. Det maximala

hertzka tryck som uppstår i kamringen av kamrullarna ger maximala

skjuvspänningar ca 0,5mm under ytan. Härdzonen är ca 5-6mm djup och

sprickorna började direkt under härdzonen. En hypotes är att sprickorna har

initierats vid härdningen.

Målsättningen för detta examensarbete har varit att undersöka om

restspänningarna kommer upp i nivå med brottgränsen för materialet så att en

spricka kan bildas. Denna spricka kan vara initieringsställe för en

utmattningsspricka. En annan målsättning var att kontrollera om det är någon

skillnad på restspänningen på en ring som har en brant respektive en flack

lutning på hårdhetsgradienten från 600HV till 300HV.

Hårdhetsgradienterna och restspänningsmätningarna utfördes på dels 5mm från

kanten och dels mitt på kamringen. Det var röntgendiffraktionsmetoden som

användes för bestämning av restspänningen. Kanteffekterna

(spänningsminskning mot kanterna) bestämdes genom att utföra mätningen 5mm

från kanten och dessa visade att den axiella spänningen är lägre vid kanten

än på mitten (den är negativ på mitten). Den globala spänningens storlek

(den som frigörs vid avkapningen) beräknades till ca -68MPa på innerytan av

kamringen och mätningar gav resultatet -45MPa. På ytterytan gav mätningarna

värdet 64MPa och den beräknade spänningen blev 60MPa.

En kammätning gjordes för att mäta restspänningarna in i materialet. Då

skedde slipning succesivt in i materialet. Slipning och etsning gjordes

mellan varje mätning. Det etsades 0,2mm för att ta bort alla inducerade

spänningar från slipningen. Ibland där ett tätare mellanrum mellan

mätpunkterna önskades gjordes flera etsningar på rad utan slipning emellan.

Detta gjordes till exempel vid hårdhetsgradientens brantaste lutning för att

inte missa övergången till dragspänningarna. Spänningsbilden förändrades av

att slipning skedde in i materialet, normen HS-784 användes för att beräkna

dessa spänningar. Tryckspänningar på -497MPa och dragspänningar på 373MPa

uppnåddes som max. Med de globala spänningarna inräknade blev

tryckspänningen -565,5MPa och dragspänningen 333MPa.

En kantmätning gjordes på sidan av kamringen. Då slipades ett spår på kanten

av kamringen. Vid kantmätningen blev dragspänningen ungefär lika som vid

kammätningen men tryckspänningen blev lite lägre. De radiella spänningarna

blev dragspänningar närmast ytan och tryckspänningar längre in i materialet.

Alltså tvärs om mot de tangentiella och axiella spänningarna.

Vid härdningen utvidgar sig materialet. I radiell led kan materialet utvidga

sig fritt inåt mot centrum, det finns inget som håller emot. Däremot i

tangentiell led kan inte materialet utvidga sig då grundmaterialet håller

emot och det bildas tryckspänningar i ytan i axiell och tangentiell led. I

grundmaterialet kommer det att bildas dragspänningar för att kompensera för

dessa tryckspänningar. Sprickorna som uppkommer på grund av de tangentiella

dragspänningarna i grundmaterialet borde gå vinkelrätt mot ytan. Om

sprickorna går parallellt med ytan som de gör i detta fall så borde de bero

på de radiella restspänningarna som uppkommer i materialet. Alltså de

radiella spänningarna öppnar en spricka som går parallellt med ytan.

Eftersom de radiella spänningarna är tryck inne i materialet kan de inte

öppna upp någon spricka däremot kan de uppkomna skjuvspänningar göra det.

Dessa skjuvspänningar kan bestämmas genom en simulering.

Ett resultat är att den flacka ringen sprätte ut vid kapningen och den

branta ringen for ihop inåt vid kapningen. Slutsatsen som kan dras av

restspänningsmätningarna är att den branta hårdhetsgradienten uppvisar ett

ogynnsammare spänningstillstånd jämfört med den flacka gradienten. Den har

nämligen lägre tryckspänning och högre dragspänning än den flacka

gradienten. Detta är tvärt emot vad som förväntades.