齒輪零件磨削燒傷的危害、檢測和預(yù)防

許紅平 魯建鋒 吳偉明 徐嘉軍

通過淬火類齒輪磨削燒傷的深層次研究，總結(jié)出磨削燒傷產(chǎn)生的原因和可能引起的危害，并提出磨削燒傷的各種檢測方法：同時對磨削燒傷的防止措施做出了較為全面的分析，對減少齒輪類零件磨削燒傷的問題有著重要的實(shí)踐意義。

齒輪類零件作為機(jī)構(gòu)中的重要零部件，在滲碳淬火后往往要進(jìn)行磨削加工。在磨削加工工藝中，砂輪與零件的接觸區(qū)會因摩擦產(chǎn)生大量熱量，而大部分熱量會通過傳導(dǎo)進(jìn)入零件淺表層，容易導(dǎo)致表層金相組織的變化。若磨削參數(shù)設(shè)置和砂輪選擇不當(dāng)，在加工的過程中，會引起表層金相組織改變，并出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力，形成“磨削燒傷”[1]。

零件磨削燒傷會使零件表層的耐磨性、耐腐蝕性和接觸疲勞強(qiáng)度降低，使用壽命大大降低，嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)裂紋，從而引發(fā)質(zhì)量問題。

本文通過研究淬火類齒輪的磨削燒傷現(xiàn)象，總結(jié)和分析了磨削燒傷的種類和危害，提出了針對不同種類燒傷的不同檢測方法，并在此基礎(chǔ)上探討了磨削燒傷的預(yù)防措施。

磨削燒傷的種類及危害

1.磨削燒傷的種類

齒輪零件磨削加工的過程中，接觸區(qū)域的瞬時高溫（可達(dá)1000℃）使得零件表面的金相組織產(chǎn)生局部變化。根據(jù)磨削燒傷表面組織結(jié)構(gòu)的不同，可以將磨削燒傷分成兩類。

1.1回火燒傷

當(dāng)磨削接觸區(qū)表面層溫度顯著超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，而低于相變臨界溫度Acl的時候，零件表面馬氏體產(chǎn)生回火，轉(zhuǎn)變成硬度較低的索氏體和屈氏體，這種燒傷稱為“回火燒傷”，如圖1（a）所示。此時該表面的硬度一般為HRC51-57。

1.2二次淬火燒傷

淬火鋼的馬氏體組織在750℃-800℃以上的磨削高溫下轉(zhuǎn)變成奧氏體。如果冷卻速度較低，則會重新變?yōu)轳R氏體，零件表層比原淬火硬度稍有提高，一般在HRC63左右。但此變質(zhì)層性能穩(wěn)定性較差，脆性較高，二次淬火燒傷區(qū)域周圍通常伴有一圈嚴(yán)重的回火層，如圖1（b）所示。

2.磨削燒傷和磨削裂紋

磨削燒傷的變質(zhì)層內(nèi)存在較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時，容易導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。磨削燒傷不一定伴隨磨削裂紋出現(xiàn)，但是磨削裂紋通常都伴隨磨削燒傷產(chǎn)生。磨削裂紋的方向一般與砂輪的軸向進(jìn)給方向垂直，如圖2（a）所示。

齒面存在裂紋后，潤滑油會侵入裂紋。當(dāng)齒輪嚙合時，齒面的壓力使得裂紋內(nèi)的油壓升高，對裂紋存在擠脹的作用，導(dǎo)致齒面剝落甚至出現(xiàn)輪齒斷裂的現(xiàn)象，如圖2（b）所示。

3.磨削燒傷的危害

磨削燒傷除了容易引發(fā)磨削裂紋，其本身的危害還主要包含以下幾個方面：

a.較輕的磨削燒傷情況下，零件在使用一定時間后，表層硬度發(fā)生下降，軟化層明顯加深，使用壽命與無磨削燒傷的零件相比會縮短3～5年。

b.嚴(yán)重的磨削燒傷情況下，以齒輪齒面為例，由于表面硬度降低，齒輪承受接觸應(yīng)力的能力顯著下降，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落、失效等質(zhì)量事故，使得齒輪失去正常的工作能力，如圖3（a）和（b）所示。

c.由于齒面剝落，與之相嚙合的輪齒容易產(chǎn)生齒面凹坑等失效形式。圖4為行星輪磨削燒傷引起齒面剝落后造成的齒圈齒面的凹坑破壞。

磨削燒傷的檢測方法

齒輪零件表面磨削燒傷后，使用性能和壽命將大大降低，甚至完全失去工作能力。因此，為了能夠及時發(fā)現(xiàn)不合格的零件，需要對零件表面的磨削燒傷進(jìn)行檢測。根據(jù)磨削燒傷后表層組織的顏色、硬度以及酸腐敏感性的不同，可以采用觀色法、表層顯微硬度判別法和酸洗法進(jìn)行檢測。

1.觀色法

觀色法即觀察磨削后零件表面的“回火色”。隨著磨削接觸區(qū)溫度升高，磨削表面會形成氧化膜。由于膜層厚度不同，反射光的干涉狀態(tài)也不同，因此可以呈現(xiàn)出各種各樣的顏色，如黃色、草黃色、褐色、紫色等，即“回火色”。值得注意的是，表面沒有“回火色”并不意味著表層沒有燒傷。觀色法是最為直觀簡單的檢測方法，不需要采用專門的設(shè)備，但是檢測過程受到人為主觀因素的影響較大，因此不適合用于檢測要求嚴(yán)格的場合。

2.酸洗檢查法

2.1酸洗檢查的原理

酸洗檢查法是目前生產(chǎn)上普遍使用的方法，原理是利用鋼材不同的金相組織對酸蝕有不同的敏感性?；鼗瘃R氏體酸蝕后呈現(xiàn)灰色，如發(fā)生嚴(yán)重的回火燒傷，回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，酸蝕后呈現(xiàn)黑色;如發(fā)生二次淬火燒傷，金相組織為淬火馬氏體，酸蝕后呈現(xiàn)白色。

2.2酸洗檢查的步驟

第一步：零件清洗，要求零件所有表面不允許有油污，零件清洗后經(jīng)過清水漂洗，零件表面若形成一層完整的水膜，可認(rèn)為已經(jīng)清洗干凈。若零件沒有清洗干凈，零件表面有水珠，酸洗后零件表面會出現(xiàn)花斑，干擾磨削燒傷的判斷。

第二步：酸洗，先用浸入硝酸中，時間為30s，拿出后浸入清水漂洗60s，然后浸入鹽酸中，時間為60s，拿出后浸入清水漂洗60s，再浸入氫氧化鈉溶液中浸泡60s，拿出后用清水漂洗60s，最后上油防銹。

第三步：判斷，根據(jù)酸洗后，仔細(xì)觀察齒面各種顏色，全灰色表示沒有磨削燒傷，黑色表示有磨削燒傷，并按FA、FB等級區(qū)分。

酸洗檢查法簡單易行，在目前生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍。但是該方法會對被檢測零件的表面產(chǎn)生破壞，檢測后零件便無法正常使用，因此一般用于批量零件的抽樣檢驗。

3.表層顯微硬度判別法

表層顯微硬度判別是法根據(jù)回火燒傷后表層硬度下降的原理，利用磨削表面的顯微硬度分布曲線作為是否發(fā)生磨削燒傷的判別依據(jù)。因回火燒傷的特點(diǎn)是表層硬度下降，因此可以簡化燒傷的檢測方法，采用測量表層顯微硬度的方法，以測出的表層顯微硬度比集體硬度下降的程度來判別回火燒傷的程度。表層顯微硬度判別法反應(yīng)比較靈敏，而且數(shù)值可靠，應(yīng)用較為廣泛。

磨削燒傷的預(yù)防

磨削燒傷和磨削裂紋均因磨削熱過高引起，所以預(yù)防止燒傷和裂紋應(yīng)該從降低磨削熱的角度著手。影響磨削熱的因素主要有砂輪狀況、切削用量、冷卻條件、零件材料以及熱處理硬度等，其中機(jī)加工方面主要涉及到的是砂輪狀況、切削用量和冷卻條件。因此，零件的磨削燒傷應(yīng)該主要從這三方面來預(yù)防。

1.合理選用砂輪

砂輪的選擇主要是砂輪參數(shù)的選擇，而砂輪參數(shù)主要包括磨料、粒度、硬度和組織四個方面。

1.1磨料

磨料即砂輪的砂粒，是構(gòu)成砂輪的主要成分。筆者對于磨削滲碳淬火類零件，筆者一般采用單晶剛玉和鉻剛玉作為磨料的砂輪，代號SA和PA。相對于白剛玉磨料WA.單晶剛玉和鉻剛玉磨料更適合磨削淬火過后高硬度、高強(qiáng)度的齒面。

1.2粒度

粒度即磨料顆粒的大小，用每英寸篩網(wǎng)商都上的篩孔數(shù)量表示。粒度提高時，表面粗糙度將會提高，當(dāng)采用60粒的砂輪時，可以滿足大部分零件表面粗糙度要求。當(dāng)粒度達(dá)到80?；蛘吒邥r.砂輪的容屑能力和散熱性能會大大降低，將會增加磨削燒傷和裂紋發(fā)生的可能性。

1.3硬度

硬度表示磨料從砂輪表面脫落的難易程度，這取決于磨料與粘合劑的粘結(jié)強(qiáng)度，與磨料本身的硬度是兩種不同的概念。硬度較高的砂輪，磨料不易脫落;硬度低的砂輪，磨料相對容易脫落[2]。由于砂輪具有自銳性，磨料在磨削過程中會從砂輪表面脫落，若硬度太高，則砂輪在磨鈍后磨料仍難以及時脫落，容易產(chǎn)生更多的磨削熱。因此，宜選擇較軟的砂輪硬度，以便磨鈍后的砂粒能夠及時脫落。砂輪硬度由超軟到超硬，代號從D到Y(jié)級。目前筆者選用較多的是J級。

1.4組織

組織表示磨料、粘合劑和氣孔三者之間的比例關(guān)系，磨料所占比例越大，則組織越緊密，氣孔越少;反之，組織疏松，氣孔較多。組織緊密的砂輪能磨出粗糙度較好的工件表面，而組織疏松的砂輪，因空隙大，可以保證磨削過程中容納磨屑，避免砂輪堵塞，減少磨削熱的大量產(chǎn)生。筆者選用較多的是微氣孔，組織為06的砂輪。

經(jīng)過七年來的不斷實(shí)踐和應(yīng)用，筆者采用較多的砂輪是某品牌微氣孔單晶剛玉砂輪，砂輪代號SA60J0645m/s，同時使用SG磨料砂輪加工高精度齒輪。

2.合理設(shè)置切削用量

背吃刀量的選用是關(guān)系到磨削燒傷和裂紋的關(guān)鍵因素，背吃刀量增大，零件磨削力增大，會產(chǎn)生更多的磨削熱，容易引起磨削燒傷。對于體積大，熱處理后變形較大的零件，在利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行磨削時，對刀后還要人為放大空程量。對于數(shù)控磨齒機(jī)，在磨齒的過程中，還需要觀察功率顯示屏，防止因熱處理齒面變形導(dǎo)致局部背吃刀量過大。

對于磨齒機(jī)，切削速度主要是砂輪的轉(zhuǎn)速。對于同一片砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速增加，線速度相應(yīng)增加，磨削燒傷和磨削裂紋的風(fēng)險也會增加。在機(jī)床能力允許的前提下，選取砂輪線速度在30-35m/s的范圍內(nèi)，即可滿足Ra0.8的表面粗糙度要求。在磨削時，砂輪沿齒面的移動速度應(yīng)根據(jù)模數(shù)確定。

3.確保冷卻條件

冷卻液在磨削的過程中具有冷卻、清洗、潤滑和防銹的作用，在磨削的過程中需要保證冷卻液的流量，同時定期查看冷卻液濾紙上的鐵屑情況。

根據(jù)砂輪的齒輪和零件的參數(shù)，調(diào)整冷卻液的沖洗位置，盡可能減少肉眼可見的磨削火花，使得冷卻效果達(dá)到最佳[3]。

結(jié)語

通過對長期生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的各種磨削燒傷的情況進(jìn)行了總結(jié)，歸納出磨削燒傷的種類以及可能產(chǎn)生的危害性，并分析了磨削燒傷的檢測方法。同時，從合理選用砂輪、合理設(shè)置切削用量、確保冷卻條件3個方面對磨削燒傷的防止措施進(jìn)行了較為全面的分析。本文的總結(jié)與分析為進(jìn)一步減少磨削燒傷問題，改善磨削質(zhì)量提供了較為全面的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉連慶，齒輪磨削燒傷的分析及檢測[J].吉林省第五屆科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會，2008：203-305.

[2]張權(quán)勇，機(jī)車牽引齒輪磨削燒傷、裂紋分析[J]，機(jī)車車輛工藝，2010（4）： 46-48.