精加工整锻及自由锻曲轴的磁粉检测 BS 5138.doc

精加工整锻及自由锻曲轴的磁粉检测 BS 5138-1974前言 本标准系在(英国)机械工程工业标准委员会许可下制定的。 曲轴检验应用磁粉探伤法已日益增加，为此，本标准对精加工的整锻曲轴验收标准加以规定。 对在役的曲轴损坏的调查表明：只有少数的报告将损坏归因于材料的缺陷或存在的非金属夹杂物，同样对于曲轴上凹坑时对轴颈性能的影响，在另外的评价中也已给出了满意的结果。在某些情况下，这些凹坑的尺寸已超过了本标准规定的极限。 在本标准编制过程中，已考虑了多种曲轴设计的应力分布，并确保允许缺陷存在时应力的上升，不会超过预期的最大应力值。 附录A给出了对已知曲轴的凹坑影响进行调查的结果。该结果是建立在本标准编制期间所获有价值资料基础上。随后对特定的凹坑外形作光测弹性分析，已进一步证实在本标准中的要求仍具有保守性质。1 适用范围 本标准规定仅适用于模锻及自由锻曲轴的磁粉探伤。曲轴的曲柄销或轴颈在精加工后直径应大于或等于80mm，但不包括组合式曲轴和汽车用曲轴。本标准还规定了验收水平和缺陷的局部清除。 本标准还适用于符合劳氏船级社规定的任何轴类。2 参考文献 本标准参考的英国标准的标题见后。3 检验方法3.1 被检曲轴或零件的表面状态，应对检验不产生干扰，所有被检区域应没有污垢、油腻或涂料以及任何其它足以干扰检验的外来杂质。3.2 曲轴应作既能显示纵向，又能显示横向的缺陷的磁化。3.3 当应用夹持器时，应特别注意保证不夹持于关键部位和避免产生烧损和划伤。如曲轴太大，以至于不能用其它方法进行磁化时，则只有在发动机制造厂和检测部门同意后才能使用触头法。触头应具有尽可能大的接触面积，并应该仔细地清洁，以便它与表面良好地接触。夹持器或触头通电磁化，只能用于区域4范围(见图1和图2)。3.4 应采用连续法湿法显示探伤。须在通电的同时施加以煤油或类似介质为载液的磁悬液。所用磁悬液应符合BS 4069要求。3.5 磁化通常按照BS6072磁粉探伤方法要求进行。3.5.1 当电流自曲轴两端馈入和引出时，如使用交流电，则电流强度不小于5300Am直径(有效值)，如使用直流电，则电流强度不小于7500Am直径（直流或交流电峰值)。3.5.2 当使用触头法磁化时，触头间距应为20020mm，电流强度应不小于600A(交流电有效值)或850A(直流或交流电峰值)。 当间距小于200mm之处需要使用触头法磁化时，电流强度可按触头的实际间距成比例地减小。 逐次检查之间的触头位置应错开，并应保证纵向和横向上至少有一半的间距得到重叠。3.5.3 推荐使用磁场强度计校验，以确保实际所用的磁场强度足够。通常要求磁场强度不小于2400Am。3.5.4 应避免使用过大的磁场强度。借以防止显微组织和偏析的影响过于突出。此外，也不允许由于磁饱和引起磁粉在曲轴锐角等边沿集聚。3.6 如果买方规定，则曲轴应在检验后进行适当退磁。3.7 检验结束后，曲轴应予以彻底清洗，涂上保护剂以免腐蚀。4 结果评价 小于0.5mm长的单个非金属夹杂物可以忽略不计。对于曲轴的评价应分为4个区域，如图1和图2所示。 注：本标准所称的凹坑，是缺陷清除后修磨形成，它可以是半球形的，纵向、横向或取两者之间的任意方向。4.1 区域14.1.1 允许的磁痕显示：在该区内的缺陷，如果能按照4.1.2的要求进行清除修整，则可以接受。4.1.2 其它磁痕显示：在其它部位的圆角半径内的表面缺陷可以清除，除了曲轴轴颈处的圆角以外。清除可通过磨削，使其成为一个大面积的光滑的圆弧，局部凹陷不得过深，并应维持和保证圆角不失其原来的形态。润滑油孔口处的缺陷也可以消除，但须保证重新磨成的表面曲率不小于油孔的半径。 金属清除的深度，应不超过附近轴径的1。4.1.3 在区域1的其它范围的缺陷，只有在发动机制造者和任何有关检测部门同意下才允许不予修整。4.2 区域24.2.1 允许的磁痕显示：在曲柄销和轴颈圆角半径和其邻近表面上的非金属夹杂物，如果它们基本上呈纵向(平行于轴线)和单个分布，且长度不超过图3给定值，则这种非金属夹杂物是可以接受的。 在曲柄表面上的非金属夹杂物，不论其方向如何，只要它们被合理地分布，且其单个长度不超过图3给定值，则都可以接受。 在每个圆角区域内，非金属夹杂物的总长度，加上曲柄适当部位的那些缺陷后的长度之和，应不超过在图3给定的单个缺陷最大长度的3倍，但其中如5.8所述的那些小于允许最大长度20的夹杂物，可以不计。4.2.2 其它磁痕显示。超出允许极限的非金属夹杂物和其它表面缺陷是不能接受的。除了曲轴轴颈处圆角以外，在圆角半径处的表面缺陷可以清除但应保证： (a)大面积圆滑过渡，以便维持局部不过度减弱； (b)圆角不失原来规定的形态；(c)去除金属的深度不超过附近轴径的1。曲柄表面上缺陷清除，应符合5.9有关凹坑的深度不超过附近轴径的1，凹坑长度不超过附近轴径的5的规定。在任何曲柄上凹坑的总长度应不超过允许的单个凹坑长度的3倍。4.2.3 区域2的其它范围，只有经发动机制造者和有关检测部门的批准，才允许不修整。4.3 区域34.3.1 允许的磁痕显示：单个非金属夹杂物的长度不超过图3给定值，且它们基本上呈纵向和合理地分布时，这些非金属夹杂物是可以接受的。在每个轴颈表面上，这样的缺陷总长度应不超过图3规定的最大单个长度的3倍，但其如5.8所述的那些小于最大允许长度20的夹杂物，可以不计。4.3.2 其它磁痕显示：超出允许极限的非金属夹杂物和其它表面缺陷是不能接受的。表面缺陷可以通过局部修整清除，但应保证：(a)任一单个凹坑的长度不超过轴径的5；(b)凹坑的深度不超过轴径的1；(c)凹坑的外形符合4.9所述形态；(d)在任一曲柄销或轴颈表面，不得多于2个凹坑，轴颈表面两个凹坑之间的距离应不小于轴径的4。4.3.3 只有在供需双方协商同意后，才能超过4.3规定的极限。4.4 区域44.4.1 允许的磁痕显示：非金属夹杂物长度不超过图3给定值时，则不管其方向如何，它们是可以接受的。在每个曲柄上，允许非金属夹杂物的总长度可为轴径的30，但它们应分散分布。符合5.8规定的那些小于最大允许长度的20的夹杂物，可以不计。4.4. 2 其它磁痕显示：超出允许极限的非金属夹杂物和其它表面缺陷是不能接受的。表面缺陷可以通过局部修整去除，但应保证： (a)任一单个凹坑的深度应小于曲柄销的2； (b)凹坑长度应小于曲柄销的12； (c)凹坑的外形应符合5.9规定。在任一曲柄上修磨清除几个缺陷时，修磨的总面积应不超过允许单个修磨面积的2倍。4.4.3 只有在供需双方协商同意后，才能超过4.4规定的极限。5 缺陷的检验和修整5.1 某些缺陷可以通过局部修磨凹坑来消除，但在作局部凹坑之前，应通知发动机制造厂和检测部门，给予检查缺陷范围的机会。发动机制造厂和检测部门还有权检查按本标准进行的修整。5.2 磁粉探伤的磁痕显示，可通过着色渗透剂检验或目视检查确认，是裂缝或者是其它缺陷。只有当缺陷通过局部磨削可以完全消除和总的凹坑不大于有关区域允许值时(见4和5.9)，才可认为锻件是满意的。5.3 在机械加工中，小的非金属夹杂物可能被显示，对此，应予慎重地研究。5.4 为了确定缺陷的性质，可以按照BS 4124第3部分进行着色渗透检验。如有必要，在局部抛光以后，可用合适的放大镜作进一步的检查。5.5 因非金属夹杂物而产生的磁痕显示，应擦干净，再用合适的放大镜检查，以便正确地确定它的实际长度。5.6 在某些情况下，通过局部修磨消除非金属夹杂物被认为是值得的。但应注意，其形成的凹坑不得大于有关区域规定的允许值。5.7 在擦干净以后，有理由相信近表面的缺陷是不能看出的。对此，应使用发动机制造厂和有关检验部门都满意的无损检测方法并由制造厂作进一步探查。5.8 当两个或两个以上磁痕显示在近似一条线上，而且它们在轴颈表面上的间距小于最大显示的一半长度时，则应将它们看作是一个显示，其长度是各显示长度与它们间距之和。5.9 所有由修磨形成的凹坑，应具有这样的形状：它们的四周和底部中心的半径应大于凹坑深度的3倍，其边沿与表面应光滑地过渡成为一体，过渡区曲率半径为凹坑深度的2倍。5.9.1 所有凹坑的表面精度应类似于曲轴圆角规定的表面度。5.10 每个凹坑的长度、宽度和深度，应在修磨过渡区之前就进行测量。5.11 任何夹杂物的长度或由局部修磨形成的凹坑长度和深度，如超过4规定的极限，则应予以报废。在开据报废单之前，应征求锻造厂、发动机制造厂和有关检测部门的意见和批准。5.12 修整结束后，应重新作磁粉探伤，以确信缺陷被完全消除。5.13 表面硬化处理的曲轴，应另外检查和修整。如有必要，可在表面硬化处理之前进行检查。除非锻造厂、发动机制造厂和有关检验部门同意，否则在表面硬化处理以后，不得在变硬区域作修整。6 质量证明 如果顾客或检测部门要求，则应提供表明曲轴符合本标准要求的证明。 证明应包括如下的内容： (a)顺序号、锻造系列号和铸锭号 (b)磁化方法和电流强度 (c)所进行的任何修整的详细资料(d)由其它任一无损检测方法核验，获得的结果15图1 检测区域：曲柄销和轴径不重叠的曲柄区域4所有其余的表面底部圆角部位区域1E-E放大剖面半径的详图参见放大 的详图参见放大的详图图2 检测区域：曲柄销和轴径重叠的曲轴区域4所有其余的表面底部圆角部位E-E放大剖面参见图1说明参见图1说明图3 夹渣物允许尺寸单个夹渣物的最大长度（）曲柄销或轴颈的直径D（）附 录 A曲轴凹坑的影响 已知曲轴调查结果 曲轴上凹坑的影响，要研究的项目如下： (a)曲轴强度的影响 (b)轴颈性能的影响 (c)外表美观性A.l 曲轴强度的影响A.1. 1 圆角A.1.1.1 按劳氏船级社设计的典型曲轴，其应力分布只有弯曲和扭转。所用的轴来自试验过的发动机，其资料是充分有效的。采用冻结应力技术，三维空间光弹性方法给出的弯曲应力和扭转应力的分布如图4和图5所示。 可以看出，在曲柄销圆角里，应力指标Sbp和SP是弯曲和扭转两者在圆角(a)周围约30位置上的最大值。两者为最大值时的平面，在弯曲时为0(内部静区中心)，在扭转时为45。 应力指标Sbp和STP是在圆角任意点上测得的弯曲应力和扭转应力与曲柄长度中间的正常的弯曲应力和扭转应力之比。A.1.1.2 在曲轴中起作用应力，对于扭转应力使用强迫衰减法进行计算。对于弯曲应力用半连续横梁分析法进行计算，然后对这些应力根据图5和图4进行分解并用如下等式合成等效应力。 式中e 直接的等效应力，b分解的弯曲应力，分解的扭转应力。 获得的中值和半区域交变应力值在表1和表2给出。 注：在调查的原始结果给出的值是以英制表示的，现已转换成SI单位表示。表1 最大等效中值应力 （=30 =0）弯曲应力扭转应力等效应力中值应力指标Sbp分解中值平均值应力指标STP分解平均值N/ mm2(=MPa)5.513.22N/ mm2(=MPa)17.76N/ mm2(=MPa)19.811.50N/ mm2(=MPa)29.72N/ mm2(=MPa)54.33表2 最大等效半区域交变应力 （=30 =0）弯曲应力扭转应力等效应力半区域应力指标Sbp分解半区域平均值应力指标SP分解半区域N/ mm2(=MPa)42.023.22N/ mm2(=MPa)135.30N/ mm2(=MPa)27.051.50N/ mm2(=MPa)40.58N/ mm2(=MPa)152.46A.1.1.3 当在修正后的古德曼图进行划分时，对这些应力要给予小于2：1的疲劳安全系数；该2：1数由劳氏船级社考虑到允许使用最小抗拉强度的钢材决定的。在这个基础上，决定在圆角半径上不允许凹坑，而不要事先与发动机制造厂商量。通常，弯曲往往远离缺陷，因此，平坦圆滑过渡的凹坑不会使圆角失去规定的形态，也就是说，它对应力集中和平均应力几乎没有影响。A.1.2 轴颈和曲柄销A.1.2.1 圆角区域是指曲柄销或轴颈的圆角半径扩大一半的圆角附近区域。因此，构成曲柄销表面的最高应力部位的凹坑可以落在该分区线上。在图4和图5上，说明了该位置=0（内部静区中心）时，应力指标值在弯曲和扭转时分别为1.50和1.04。A.1.2.2 如前所述，计算中值和半区域交变应力，所得值在表3和表4。表3 最大等效中值应力弯曲应力扭转应力等效应力中值应力指标Sbp分解中值平均值应力指标SP分解平均值N/ mm2(=MPa)5.511.50N/ mm2(=MPa)8.27N/ mm2(=MPa)19.811.04N/ mm2(=MPa)20.60N/ mm2(=MPa)36.63表4 最大等效半区域交变应力弯曲应力扭转应力等效应力半区域应力指标Sbp分解半区域平均值应力指标SP分解半区域N/ mm2(=MPa)42.021.50N/ mm2(=MPa)63.02N/ mm2(=MPa)27.051.04N/ mm2(=MPa)28.14N/ mm2(=MPa)79.67A.1.2.3 上述等效应力，不能直接分成最大圆角应力以求得凹坑的允许应力指标。对于给定的槽口，在弯曲时应力指标的影响与在扭转时应力指标的影响是有区别的。 因此，参考工程科学资料No.65004“应力集中资料”，按照根部半径与深度的比率（r/h），对于弯曲或者扭转情况下的360圆周开槽棒，给出了应力指标。 通过反复试验r/h值，发现弯曲应力和扭转应力的合成符合下列等式（a） 对于平均应力：54.33=其中给定 KB=2.0 KT=1.45 r/h=4.3（b） 对于半区域交变应力：152.46=其中给定 KB=2.1 KT=1.55 r/h=3.477复杂变量之间的互相作用如图6所示。该图还表明rh极值之间的关系(纯弯曲和非扭转时，rh给定为3.1和纯扭转和非弯曲时，rh给定为4.75)。A1.2.4 当分解弯曲应力支配半区域交变应力时，该应力依次对安全系数有直接影响，最后确定rh=3并作如下几点说明： (a)应力集中数据是用有360的圆槽给出的，而任何凹坑的最大周长与轴线夹角小于7。 (b)为了计算方便，任何凹坑中心线处理为区域1和区域3之间的分隔线，而实际上，它完全在区域3之内，即在曲轴应力较小的位置。 (c)随rh增加而增加的应力指标比率是较小的。在rh=3到rh=5之间约10，而凹坑的间隔应近似增加相当这些极值之间的40。A.1.3 曲柄： 如图4和图5所示，其应力远远低于轴颈与曲柄销上圆角的峰值应力。对于样品曲轴而言，在曲柄上实际应力等级还没有确定，但是，有理由相信其它由连续晶粒流线的或密封模锻技术而制造的非机加工曲柄的曲轴不可避免地具有脱碳表面，而这种表面已知能把疲劳强度降低一半。在这个基础上，曲柄处应力，应不大于圆角处应力的一半，否则损坏将会发生。 因此，具有约2：1应力系数的凹坑是可接受的。但是，此凹坑一定要穿透过脱碳层。为了简单明了，对于同样形状的处于3区域中的rh=3的凹坑，则同样也允许，且允许长度视实际情况可作适当增加。A.2 对轴颈性能的影响A.2.1 从来自发动机制造者的调查资料，现已得到许多具有凹坑曲轴的维修经验，以及表明没有影响轴颈性能的情况。初步计算考虑凹坑的尺寸为轴周长的0.5和2。进一步考虑到轴颈表面的整个宽度和从轴颈中吸油的巨大能力之后，则给出了图7和图8所示的结果。图7表示在各种偏心率中承载能力减小的百分率。而当偏心变化率与轴颈给定载荷之比确定时，图8则更有用。A.2.2 这里规定，允许的rh=3和深度为轴径1的凹坑的周长，应控制在约为轴颈周长1.5的左右(倒角前的有效半径计)。据此，也可近似控制凹坑的最大长度为相似的值，即直径的5%/。如果凹坑的长度均为极大值，那就会形成球缺。因此油膜层厚度的减小远小于图8所示。在此基础上，就可认为在轴颈表面的任何地方都允许