鋼材熱處理之: 齒輪磨削裂紋產(chǎn)生原因排查
我公司是生產(chǎn)高端減速機(jī)的專業(yè)廠家，用R800 HOFLER磨齒機(jī)磨齒時(shí)出現(xiàn)大批量的齒面磨削裂紋。磨削裂紋分布在不同模數(shù)、不同齒數(shù)的齒輪上，大小齒輪共計(jì)41件，給公司造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。
本文從失效的齒輪上出現(xiàn)的裂紋形態(tài)和位置上分析，通過(guò)對(duì)齒輪熱處理加工工藝、磨齒參數(shù)、磨齒冷卻液及偏磨上展開(kāi)調(diào)查研究，從而制定了有效的改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了防止質(zhì)量事故再發(fā)生的目的。
1、從熱處理上查找原因
（1）熱處理用井式爐滲碳、緩冷、二次加熱淬火、回火的齒輪
在R800 HOFLER磨齒機(jī)上，對(duì)井式爐處理的模數(shù)為5mm、齒數(shù)為68的齒輪，進(jìn)行磨削，發(fā)現(xiàn)有2個(gè)齒輪，在其相鄰4或5個(gè)齒的右齒面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，齒輪其他部位沒(méi)有裂紋。裂紋形態(tài)如圖1所示。
（a）
（b）
圖1 右齒面網(wǎng)狀裂紋
（2）熱處理用箱式多用爐一次性加熱滲碳、淬火、回火的齒輪
對(duì)多用爐處理的齒輪進(jìn)行磨削，發(fā)現(xiàn)齒輪的相鄰幾個(gè)齒的右齒面大量網(wǎng)狀磨削裂紋（見(jiàn)圖2），齒輪的其他部位沒(méi)有裂紋。
井式爐和箱式爐，兩種不同的熱處理設(shè)備、不同的熱處理方式，但出現(xiàn)裂紋的情況一樣。檢驗(yàn)失效齒輪齒頂硬度：井式爐處理的齒輪為59.5HRC、60.0HRC、60.5HRC；箱式爐處理的齒輪為59.2HRC、59.8HRC。技術(shù)要求為59～62HRC，實(shí)測(cè)齒輪硬度滿足技術(shù)要求。
（a） 
（b）
圖2 右齒面網(wǎng)狀裂紋
（3）熱處理由一次回火改為二次回火
為了降低熱處理應(yīng)力對(duì)齒輪磨削的影響，將熱處理一次回火改為兩次回火。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，兩次回火的齒輪也有磨削裂紋。此改善對(duì)控制磨削裂紋的產(chǎn)生沒(méi)有起到明顯作用。
（4）對(duì)齒面出現(xiàn)裂紋的齒輪，從熱處理組織上做微觀檢測(cè)
對(duì)出現(xiàn)裂紋的齒輪，在有裂紋的齒上取樣，檢查滲層深度和金相組織。試樣檢測(cè)結(jié)果如下：
左齒面：殘留奧氏體20%～25%，回火馬氏體，碳化物為1級(jí)。金相組織合格（見(jiàn)圖3a）。
右齒面：回火馬氏體，碳化物為1級(jí)（見(jiàn)圖3b）。
左齒面有效硬化層深為1.619mm（見(jiàn)圖4a）。
右齒面有效硬化層深為1.601mm，齒面有燒傷(硬度法檢測(cè)時(shí),從齒面到齒的心部0.4mm的距離，維氏硬度值上能反映出來(lái)，明顯低于左齒面相應(yīng)位置硬度（見(jiàn)圖4b）。
左齒面0.4mm處，硬度57.5HRC正常。
右齒面0.4mm處，硬度54HRC，右齒面磨齒燒傷導(dǎo)致硬度降低3.5HRC。
（a）左齒面組織
（b）右齒面組織
圖 3
（a）
（b）
圖4 左右齒面有效硬化層深度的顯微硬度測(cè)定數(shù)據(jù)
從上述排查結(jié)果可見(jiàn)，雖然輪齒左右兩齒面的滲層深度幾乎一樣，但由于右齒面嚴(yán)重?zé)齻?，燒傷后金相組織也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，使得離表面到0.4mm處的維氏硬度低于左齒面相應(yīng)位置的硬度。
2、改善磨齒工藝參數(shù)和磨齒條件
磨齒工藝參數(shù)和磨齒條件對(duì)磨削裂紋的發(fā)生很有關(guān)系。以下是對(duì)R800 HOFLER和H700 HOFLER磨齒機(jī)改變磨齒參數(shù)和磨齒條件的過(guò)程和結(jié)果。摘自《金屬加工（熱加工）》雜志
（1）R800 HOFLER磨齒機(jī)磨削
改變噴油嘴位置，將油嘴位置更加靠近工件（見(jiàn)圖5），使兩個(gè)油嘴與砂輪距離更加平均。
圖5 油嘴位置更加靠近工件
調(diào)整重疊率，使砂輪表面稍微粗糙些，在磨削過(guò)程中帶走一些熱量。增加砂輪修整次數(shù)（粗磨7齒修整一次,精磨10齒修整一次），使砂輪表面更加銳利。增加沖程次數(shù)（相同模數(shù)齒輪沖程次數(shù)10～12增加至14～16），使其磨削過(guò)程中減少磨削熱量。
通過(guò)以上4點(diǎn)改變，均無(wú)效果，磨兩件裂一件。針對(duì)以上情況，再次調(diào)整，改到H700 HOFLER磨齒機(jī)上磨齒。
（2）H700 HOFLER磨齒機(jī)磨削
磨削參數(shù)與R800 HOFLER磨削基本相同，在冷卻方式略有不同的情況下磨削5件齒輪，經(jīng)檢驗(yàn)未出現(xiàn)裂紋，表明R800 HOFLER磨齒機(jī)的磨削工藝和磨削條件有問(wèn)題。
（3）再次調(diào)整R800 HOFLER磨齒機(jī)
由于無(wú)新鼓輪可供使用，將R800 HOFLER金剛鼓輪左右調(diào)換。為了使切削油中雜質(zhì)充分過(guò)濾，更換過(guò)濾器的濾網(wǎng)。加長(zhǎng)噴油嘴長(zhǎng)度（見(jiàn)圖6），使油嘴更接近砂輪與齒輪磨削時(shí)結(jié)合部位，使冷卻更充分。
（a）第一次調(diào)整
（b）第二次調(diào)整
圖6 加長(zhǎng)噴油嘴長(zhǎng)度
以上的調(diào)整取得一定的效果：磨削6件，經(jīng)檢驗(yàn)只有1件出現(xiàn)磨削裂紋，其他未出現(xiàn)裂紋。磨齒參數(shù)改變后對(duì)防止磨削裂紋的出現(xiàn)有明顯的效果。
更換磨齒機(jī)的鼓輪，新鼓輪要求所有的磨齒參數(shù)都恢復(fù)到原始規(guī)定參數(shù)，見(jiàn)表1。
表1 R800 HOFLER磨齒機(jī)沖程參數(shù)
項(xiàng)目 | 進(jìn)刀量/mm | 進(jìn)給速度(粗精磨) /mm·min-1 | 重疊率(粗精磨) |
數(shù)值 | 0.03 | 3000\2500 | 6\4(2.5) |
改善磨齒參數(shù)后，磨削12件，經(jīng)檢驗(yàn)只有1件出現(xiàn)磨削裂紋，其他未出現(xiàn)裂紋。磨齒參數(shù)的改變對(duì)控制磨削裂紋的產(chǎn)生效果越來(lái)越好。
（4）繼續(xù)改善磨齒條件
整體清理更換R800 HOFLER磨削油，換回最初的油嘴并加長(zhǎng)。，改變R800 HOFLER磨齒機(jī)沖程，提高磨削速度，參數(shù)明細(xì)見(jiàn)表2。要求磨前注意找正，防止偏磨。
表2 改變R800 HOFLER磨齒機(jī)沖程參數(shù)明細(xì)
走刀 | 進(jìn)刀量 /mm | 進(jìn)給速度 /mm·min-1 | Vw/ mm3·mm-1 | Qw/ mm3·(mms) -1 | 沖程 次數(shù) | |
1(粗磨) | 0.03 | 6000 | 600 | ≤8 | 12 | 16 |
2(半精磨) | 0.02 | 3500 | 400 | ≤4 | 1 | |
2(半精磨) | 0.02 | 3000 | 1 | |||
3(選擇區(qū)域磨) | 0.015 | 2500 | ≤150 | ≤2 | 1 | |
3(選擇區(qū)域磨) | 0.01 | 2200 | 1 | |||
更換冷卻油和杜絕齒輪偏磨后，磨削22件齒輪，磨削正常，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磨削裂紋，達(dá)到了改善目的。
3、分析與討論
（1）從裂紋的形態(tài)上分析
齒面裂紋為網(wǎng)狀裂紋并且出現(xiàn)裂紋的齒面有嚴(yán)重的燒傷，證明齒面的裂紋是磨削后產(chǎn)生的，為磨削裂紋。有燒傷表明磨削時(shí)冷卻能力差，改善磨齒參數(shù)后，效果越來(lái)越好，最后改善冷卻油后，磨削裂紋徹底沒(méi)有了。
（2）從裂紋的位置上分析
裂紋總是集中在連續(xù)幾個(gè)齒的右齒面，表明熱處理造成齒輪局部齒變形大，當(dāng)磨這幾個(gè)齒時(shí)，磨削量就大，采用正常冷卻條件就不能滿足冷卻能力的要求，從而導(dǎo)致出現(xiàn)齒面燒傷和磨削裂紋。
4、結(jié)語(yǔ)
（1）齒面產(chǎn)生磨削裂紋是因?yàn)槟X時(shí)冷卻能力不足和磨削量不均勻（熱處理變形過(guò)大）所致。因此，齒輪熱處理時(shí)要注意工件的擺放，盡量減小齒輪的熱處理變形。
（2）齒輪磨削前的對(duì)刀要非常仔細(xì)，要盡可能做到輪齒兩個(gè)齒面的磨削量均勻。
（3）冷卻油長(zhǎng)期使用，其油性和清潔度將發(fā)生改變，因此應(yīng)該定期更換冷卻油。
作者：薄文麗
單位：沃德（天津）傳動(dòng)有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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