RRF齿轮磨削烧伤裂纹分析

RRF齿轮磨削烧伤裂纹分析

周陈刚   李维

中车株洲电力机车有限公司  

摘要：在机械加工中，大部分零件的表面质量由磨削加工得到，在磨削加工中常常会引起工件磨削烧伤裂纹，使工件表面质量大大降低，本文从砂轮.磨削油.磨削参数.热处理等.进行分析.选择合理的磨削加工工艺，有效避免磨削烧伤和磨削裂纹的问题。

关键词：齿轮；磨削烧伤；磨削裂纹

  某公司生产的RRF齿轮为直齿圆柱齿轮，法向模数为8，材料为20CrMo齿数为46，压力角20°齿面要求渗碳，淬火硬度56～62HRC，芯部硬度32～40HRC,磨齿要求按GB∕TB17879—1999,标准对齿面进行烧伤检测和按TB／T2247—1991标准对齿面进行磁粉探伤检测；不允许有磨削烧伤和磨削裂纹。根据该技术要求编制的加工工艺流程为：锻造—粗车—正火—精车—平磨—滚齿—倒角去刺—渗碳淬火—热后检—磨孔—磨齿—成品检查。但是生产加工中，选用干磨MAAG1250磨齿机磨齿,采用蝶形砂轮干式“三刀”磨削法进行（即粗—粗—精）磨削，磨削后进行腐蚀检验，左右齿面上发现磨削烧伤齿面存在磨削裂纹。磨削烧伤的表现为：齿面有黑色的磨削烧伤印记，见图1。磨削裂纹抛光后在显微镜下观察为网状，且向水平扩展，细密而非1条，尾部尖细且裂纹两侧有2次裂纹。见图2。

          图1                             图2

磨削烧伤和磨削裂纹产生的原因分析。

磨削烧伤是由于磨削时的瞬时高温使工件表层局部组织发生化，并在工件表面的某些部分出现氧化变色的现象。磨削烧伤会降低材料的耐磨性，耐腐蚀性和疲劳强度，烧伤严重时还会出现裂纹。渗碳淬火钢零件的磨削烧伤有两种形式：（1）种回火烧伤。回火烧伤是指当磨削区温度显著地超过钢的回火温度低于相变温度时工件表层出现回火屈氏体或回火索氏体软化组织的情况。（2）种淬化烧伤。淬火烧伤是磨削区温度超过相变温度AcI时，工件表层局部区域就会变成奥氏体，随后受到工件自身导热的冷却作用在表面极薄层内出现二次淬火马氏体，次表层硬度大为降低的回火索氏体，这就是二次淬火烧伤。

MAAG1225磨齿机是在没有冷却油的条件下磨削齿轮，在磨削过程中一方面由于砂轮的高速旋转，进给量大，砂轮于齿轮面之间产生剧烈的摩擦；另一方面由于磨粒挤压齿面使其发生弹性和塑性变形，在齿面发生剧烈的内摩擦。内外摩擦的结果产生了大量的磨削热，由于砂轮本身传热性很差，磨削区瞬时形成温度可高达1000°。而该齿轮的回火温度为（200±5）度，磨削时比较高的磨削温度很容易使齿面发生退火而降低齿面硬度，这就是通常所说的磨削烧伤，因此这里的齿轮磨削烧伤应该属于二次淬火烧伤。

磨削裂纹.根据裂纹轮廓清晰.均匀而不浓密.其延伸方向大体与磨削方向垂直或平行，裂纹深度在0.2～0.5mm之间等特征，初步判断该裂纹类型为磨削裂纹。在磨削高温的作用下，齿轮芯部和齿面之间产生很大的温度差，致使齿面产生磨削应力和应变。当齿轮齿面的残余拉应力超过其材料的抗拉强度时就会产生磨削裂纹。对齿轮进行金相检验，检验结果按照TB／T2254—1991标准评定合格。因此从组织结构的角度来分析，该裂纹并不是由于齿轮过热而造成的磨削裂纹，而是由于磨削加工过程中产生的热应力造成磨削裂纹，属于典型的应力裂纹。

     虽然磨削烧伤和磨削裂纹产生的原因有多个方面，如磨削工艺.热处理及零件材质，但最后确定从磨削工艺，工艺流程方面来进行研究，通过选择不同工艺参数，改变工艺流程来减小热处理变形量。经过反复实践验证得出较好的工艺流程，满足质量要求。

  消减磨削烧伤和磨削裂纹的途经。

（1）正确选用砂轮。

磨削淬火钢时应选用较软的砂轮；磨削软金属时应选用较硬的砂轮。砂轮粒度过小，磨削效率高，产生的热量少，散热快。但粒度过小，磨削的零件精度要下降特别是齿面粗糙度不好。砂轮粒度大，砂轮气孔相对小不易散热，容易产生磨削烧伤和磨削裂纹,因此粗加工和软材料时选用粗粒度，精加工和磨削脆性材料时选用细粒度。

  根据上述砂轮选用原则，通过对几种不同的砂轮进行多次实践对磨削烧伤和磨削裂纹效果比较好。

(2)准时修整砂轮。

   在磨削过程中，砂轮的磨粒在摩擦，在挤压作用下，它的棱角逐渐磨圆变钝磨屑嵌塞在砂轮表面的气孔隙中，使砂轮表面堵塞丧失磨削能力，并且还降低砂轮耐用度，此时砂轮与齿面之间会产生打滑现象，使磨削表面出现磨削烧伤和细小磨削裂纹。因此砂轮磨损后应及时修整把砂轮气孔内多余物修整掉或换掉砂轮，安装新砂轮前必须做平衡校正处理，以便砂轮在工作时处于良好的平衡状态。安装好后让砂轮空转2～3分钟，再用金钢石修整器修整砂轮，金钢石必须保证锋利的棱角，利用曲线的相近性，来回运动保证齿形形状，提高齿轮表面粗糙度，粗磨按0.2～0.3mm进给量修整砂轮使砂轮表面粗糙可以大进给磨削，精磨按0.03～0.05mm进给量把砂轮磨削表面的砂粒修整成不规则形状则形状而使砂粒有棱角，从而提高磨削效率。建议粗磨时每2个循环修整1次砂轮，精磨时每1个循环修整1次砂轮。

（3）改变磨削参数。

  如果是磨削烧伤，应该采取较小的径向进给量。磨削裂纹，最主要的因素因为加工参数不合理，包括砂轮转速.进给量.磨削深度.等几方面。

  干磨磨削小齿轮时采用逐步降低砂轮粒度和砂轮线速度的办法。在保证齿面粗糙Ra0.8的前提下，把砂轮线速度向小调整到25m／s,磨削烧伤有了显著的改善。因为砂轮速度越高，在干式磨削时产生瞬间温度要比砂轮线速度低时的温度高。在用油磨削大齿轮时，将线速度调到35m／s。因为油磨削速度越高切向和法向磨削力越小，磨削热降低，所以降低磨削热是磨削裂纹的关键。

   进给量由干磨“三刀法”（即粗—粗—精）改为油磨“三刀法”（即粗—精—精），由于磨削油使加工表面能够得到迅速冷却。粗磨量为0.28mm，一次精磨为0.08mm，二次精磨量为0.03mm，降低进给量以避免产生磨齿裂纹。经过实践按照上述磨削参数形成烧伤和裂纹倾向比较小。

（4）改善磨削时冷却条件降低磨削温度。

  由于磨削的切削速度快磨削区的温度比较高。干磨主要采用调整磨削参数和磨削用量的方式来调节磨削温度。油磨设法使冷却油渗透到磨削区中，因此为了减少摩擦和散热，降低磨削温度，及时冲走磨屑以保证工件表面质量，在磨削时使用大量的磨削油冷却，用喷油嘴对磨削区喷油降低磨削热。选用德国欧海DIAGRIND一种高性能的磨削油。具有高氧化稳定性，卓越的冷却效果。磨削油在磨齿工作时温度应控制在40～50度之间，随时检查供油压力，保持冷却压力不小于1.25Mpa，对预防磨削裂纹效果比较好。

（5）改善喷砂强化工艺。

喷砂是利用大量高速运动的沙丸冲击工件表面，对工件表面进行冷挤压，使工件表层产生弹塑性变形并呈现较高的残余压应力，使材料表面发生加工强化。将齿部增加喷砂工序，调整到磨孔前这样喷砂能有效预防磨削裂纹的产生。

（6）改变工艺流程。

   改进的工艺流程为;锻造—粗车—正火—精车—平磨—滚齿—倒角去刺—渗碳淬火—回火—热后检—喷砂—磨孔—磨齿—成品检查。通过上述工艺流程的改进，该齿轮热处理变形量得到有效降低，使得齿面的磨削余量分布更加均匀；从而有效降低了磨齿时热应力导致的磨削裂纹的产生。

   改进后的齿轮磨削工艺已经在相同机床和相近产品上大规模地推广应用，到目前为止还没有发现严重的磨削烧伤和磨削裂纹方面的问题，零件质量完全达到设计要求。

参考文献

[1]齿轮工艺学，北京：机械工业出版社，2001.

[2]金属材料与热处理.中国劳动机械工业出版社，2001.

[3]中国机械论坛.

1