成型磨齒裂紋產(chǎn)生原因分析及工藝優(yōu)化措施

周春雷

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 成型磨齒原理

采用金剛石修整輪將普通磨料砂輪修成被加工齒輪齒槽狀（或使用齒槽狀成型CBN砂輪），通過磨削時砂輪做徑向進(jìn)給、砂輪支座做縱向進(jìn)給和齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)磨齒加工，磨削齒輪形成漸開線齒面。工作原理如圖1所示。

圖1 成型磨齒原理

2 磨削裂紋的形成

硬齒面滲碳淬火后，因溫度和組織應(yīng)力的突然變化而使齒面組織內(nèi)部的應(yīng)力失衡。

2.1 磨齒裂紋形成的內(nèi)因

齒輪的表面滲碳和淬火質(zhì)量是產(chǎn)生磨齒裂紋的內(nèi)在原因。在齒輪的滲碳淬火中，滲碳層容易出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀和大量的自由碳化物。這種材料具有很高的硬度。在研磨時，研磨區(qū)域的溫度急劇升高，很容易產(chǎn)生局部過熱，造成表面回火，進(jìn)而改變齒輪的金相結(jié)構(gòu)[1]。

2.2 磨齒裂紋形成的外因

磨齒裂紋形成的外因來源于成型磨齒產(chǎn)生的熱應(yīng)力，研磨過程中產(chǎn)生的大量熱能一部分被冷卻液體帶走，其中一部分滲入齒面，使其表面溫度急劇升高。如果超過原始回火溫度，將導(dǎo)致回火。在磨削工況發(fā)生較嚴(yán)重異常時（例如變形較大或磨削進(jìn)給量大等），齒面溫度甚至達(dá)到相變溫度，經(jīng)冷卻液冷激而導(dǎo)致二次淬火，嚴(yán)重的淬火灼傷可產(chǎn)生磨蝕裂縫。

3 產(chǎn)生齒輪磨削裂紋的影響因素

3.1 首次磨齒磨削量

成形磨牙通常是雙面研磨，加工前由于存在滾齒或插齒等齒面預(yù)加工誤差和熱處理過程中產(chǎn)生的變形、精加工前的基準(zhǔn)找正誤差等，會引起齒輪磨削余量不均勻，會使對中時測量的研磨余量不夠精確，導(dǎo)致一些齒面的第一次研磨量偏大，齒面溫度急劇上升，進(jìn)而產(chǎn)生表面的回火或二次淬火[2]。

3.2 成型磨齒余量分配

圖2 磨齒余量分配在線測量

3.3 熱處理質(zhì)量

齒輪熱處理質(zhì)量，如滲碳濃度、殘余奧氏體含量、脫碳層厚度、回火溫度、齒輪的可研磨性能受殘留內(nèi)應(yīng)力、熱處理后的變形等因素影響。結(jié)果表明，在相同的熱處理?xiàng)l件下，從0.65%～0.75%到1.05%～1.15%，磨削后的灼燒區(qū)擴(kuò)大一倍。

3.4 砂輪參數(shù)

通常砂輪硬度越高，自銳性越差，越容易發(fā)生磨削燒傷和裂紋；砂輪粒度越細(xì)，砂輪組織越致密。研磨過程中，隨著研磨過程中加入的砂粒增多，研磨熱量增加，容易造成磨損、開裂。

3.5 冷卻條件

冷卻劑及冷卻模式對磨削灼傷及開裂具有極為敏感的作用。為了使研磨時得到足夠的冷卻，必須選用適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)、噴嘴形狀、冷卻壓力、沖洗角度和位置[3]。

4 預(yù)防磨齒裂紋的工藝優(yōu)化措施

4.1 從組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先，控制齒表面的含碳量。試驗(yàn)結(jié)果表明，在保證碳含量小于0.8%～0.9%的情況下，碳化物含量和殘奧值均低于3個等級，以提高企業(yè)的績效。其次，掌握殘奧比例。通過調(diào)整熱處理后的滲碳及淬火溫度，可以得到細(xì)化的馬氏體晶粒，并能降低25%的殘留奧氏體。再次，對回火過程進(jìn)行了優(yōu)化。應(yīng)視具體情況適當(dāng)增加回火溫度，延長保溫時間，特別是冬季，應(yīng)采用二次回火。最后，對表面進(jìn)行充分的噴丸處理。通過對齒面進(jìn)行冷態(tài)塑性變形，在齒面上形成冷硬層，可以有效地消除研磨時產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力[4]。

4.2 從磨削工藝優(yōu)化

4.2.1 選擇合適的徑向進(jìn)給等加工參數(shù)

研磨時，砂輪的切削速度很高，所以滲碳淬火齒輪在磨削過程中不宜采用過高的砂輪線速度。使用普通磨料砂輪時，一般較多采用25m/s。要嚴(yán)格控制徑向進(jìn)給量和軸向沖程速度。以在Niles ZE800數(shù)控成型磨齒機(jī)上使用3SG70-G12VSP砂輪為例，磨削時建議粗磨徑向進(jìn)給量取0.02mm～0.03mm，軸向沖程速度取2000mm/min～2500mm/min；精磨時徑向進(jìn)給量取0.005mm～0.01mm，軸向沖程速度取1500mm/mi～2000mm/min。同時，要根據(jù)工件的剛度、安裝情況等因素對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

4.2.2 減小磨齒余量

可以采取如下措施：1）通過對滾齒等進(jìn)行預(yù)切時，對齒輪的公法線留量及齒輪的表面粗糙程度進(jìn)行嚴(yán)格控制。2）在熱處理過程中，為了減少工件在熱處理過程中的滲碳和淬火時的變形，必須采取預(yù)防變形的措施。3）對熱后磨滲碳層，加工基準(zhǔn)時要采用多個圓點(diǎn)，以改善齒面各個部分的磨削裕度分布。此外，對規(guī)格大、模數(shù)大的齒輪還可以通過吹砂等去除滲碳后的氧化皮，以減少粗磨時的磨削余量，改善磨削條件。

動物檢疫是依申請的行政許可事項(xiàng)，檢疫申報(bào)管理工作的好壞對動物衛(wèi)生監(jiān)督機(jī)構(gòu)的行政效能、依法行政、優(yōu)質(zhì)服務(wù)等產(chǎn)生重要影響。因此，必須加強(qiáng)對檢疫申報(bào)工作的管理。第一，落實(shí)專人負(fù)責(zé)，并做好受理情況登記，做到檢務(wù)公開，在相關(guān)場所張掛申報(bào)檢疫流程、檢疫收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、出證條件、片區(qū)檢疫負(fù)責(zé)人基本情況等。二是建立檢疫申報(bào)工作相關(guān)管理制度，并及時受理，統(tǒng)籌安排，嚴(yán)格按照預(yù)約時間派出檢疫員到現(xiàn)場實(shí)施檢疫[2]。

4.2.3 優(yōu)化找正對中性

對機(jī)床的測量誤差進(jìn)行定時校正，以保證測量的精度，防止第一次切割量過大而導(dǎo)致灼傷。在對中時，要有足夠的齒槽，以確保中心精度。通常測量時應(yīng)至少測量4個齒槽，在齒面上的位置不低于3個（約10%、50%、90%）。在齒數(shù)多的情況下，應(yīng)增加所測齒的數(shù)量。一般規(guī)定是在齒數(shù)n小于20的情況下，應(yīng)測量4個齒槽；當(dāng)齒的數(shù)量n≥20時，每增加5個齒，就增加1個測量槽，并測量槽數(shù)N：N=n/5+0.5（n是齒的數(shù)量，N是四舍五入的整數(shù)）。舉例而言，在n=26的情況下，所測的齒槽號N=6；在n=43的情況下，對齒的數(shù)量N=9進(jìn)行了測量。

4.2.4 預(yù)留安全距離

在對中后，為了避免第一次加工過多，應(yīng)擴(kuò)大加工的公法線，也即要保持一個合理的安全距離，通常是0.2mm～0.25mm。這個時候要考慮齒輪的結(jié)構(gòu)、形狀、變形后的最大研磨余量和最小研磨余量。

4.3 從磨削條件優(yōu)化

4.3.1 優(yōu)化修整參數(shù)

對經(jīng)過淬火和淬火后硬度比HRC58大的齒輪進(jìn)行了磨削，選用3SG70-G12VSP-PSX等磨輪。在不影響齒面粗糙程度的前提下，粒度越小越好。粗磨用粒度小的，精磨用粒度大的。通過使用金剛石修整輪，并對修整工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對大模數(shù)、長齒寬的齒輪進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到最佳的修磨效果[5]。

4.3.2 調(diào)整冷卻位置，以達(dá)到最佳冷卻效果

在研磨前要留意油嘴的位置、冷卻介質(zhì)的壓力、過濾系統(tǒng)的運(yùn)行情況，保證流體的干凈和壓力。典型地，冷卻液體以40L/min～45L/min的流量進(jìn)行大模數(shù)的齒輪研磨時，應(yīng)該增加冷卻速度。調(diào)節(jié)冷卻油嘴位置時，一般砂輪是不動的，將研磨油噴入磨輪和齒輪的正中心以上5mm～8mm左右，不追蹤型冷卻油嘴的位置要根據(jù)砂輪的直徑隨時調(diào)整，以確保冷卻效果。局部成形磨齒機(jī)有上、下兩組冷卻噴嘴，噴油位置如圖3所示?？梢栽谏拜喩线M(jìn)行一次研磨，其噴油方向與砂輪的轉(zhuǎn)動方向相反，主要作用是將砂輪上的沫狀物和鐵屑排出；另外一種噴霧方式是在研磨區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，其噴射方向與砂輪的轉(zhuǎn)動方向一致，用于磨削區(qū)的冷卻。

圖3 冷卻管位置

4.4 基于熱處理工藝改善滲碳組織與齒面應(yīng)力狀態(tài)

滲碳質(zhì)量的控制主要在于滲碳層深度、碳濃度及碳含量梯度的控制。合理的碳勢控制可在工件表面形成均勻彌散分布的粒狀碳化物。滲碳淬火后形成細(xì)小的高碳針狀馬氏體，經(jīng)過冰冷處理后，基體上還會存在極少量殘余奧氏體。在滲碳階段，由于爐內(nèi)碳位設(shè)置得比較低，因此滲層中的碳化物含量很少，且呈顆粒狀?？傮w而言，表面滲碳層是在馬氏體基體中分散分布的少量碳化物。碳化物在鋼中的滲透，使鋼的表面含碳量增加，在達(dá)到滲碳溫度和碳化物在奧氏體中的飽和溶解度前，以空隙固溶的形式存在于奧氏體中。不同滲層中碳的濃度隨滲透層的變化而變化。總體而言，表層碳含量最高，且隨距離表層深度的增大而降低。在滲碳后，工件表面到芯部的微觀結(jié)構(gòu)與熱處理工藝有關(guān)。通過對工件進(jìn)行了不同的熱處理，其滲層的組織結(jié)構(gòu)可以根據(jù)各部分的含碳量和各部分在不同熱處理工藝中的實(shí)際冷卻速率而定。滲碳后的滲層組織為馬氏體+少量的微粒碳化物+少量的殘余奧氏體，其中心組織為馬氏體+少量的鐵素體。

為避免材質(zhì)脆性增加，在滲碳層避免出現(xiàn)數(shù)量多、分布不均勻且大顆粒的碳化物。如果滲碳層的碳濃度超出1.2%，碳化物數(shù)量將相對較多，這樣一來就會在相應(yīng)組織中形成尖角狀或者網(wǎng)狀的碳化物，不利于塑性變形。同時，滲層含碳量高還會導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，最終增加材料脆性，促使細(xì)微磨削出現(xiàn)裂紋。經(jīng)過淬火后就會隨著參與奧氏體出現(xiàn)，一次回火很難將其徹底消除，磨削過程中產(chǎn)生的磨削熱量將會在齒輪表明形成“二次淬火”。二次淬火產(chǎn)生的馬氏體將導(dǎo)致局部體積增加，而且在磨削熱作用下還會引起收縮現(xiàn)象，最終形成拉應(yīng)力，增加材料出現(xiàn)裂紋的概率。

面對爐內(nèi)滲碳情況，應(yīng)該將爐內(nèi)液態(tài)碳?xì)浠衔锏牡稳胨俣群偷稳肓孔鳛橹匾墓芸刂笜?biāo)。合金鋼滲碳時，涉及了保溫時間和加熱溫度的參數(shù)。隨著加熱溫度逐漸升高，滲碳速度將隨之加快，面對這種現(xiàn)狀，擴(kuò)散層的深度也在隨之增加。但是，溫度太高就會弱化奧氏體晶粒，使材料脆性增加。而且經(jīng)過淬火的粗針馬氏體在磨削過程中容易出現(xiàn)弱裂現(xiàn)象。碳勢是在熔體滲碳過程中保持爐體表面碳含量不增加或減少的狀態(tài)，而熔體中的碳含量是影響工件表面碳含量的一個重要因素。進(jìn)行滲碳時，由于在介質(zhì)中的碳原子的化學(xué)勢比在工件上的化學(xué)勢要大，因此介質(zhì)中的碳原子與工件表面的化學(xué)勢相同時，這個工藝便會得到一個平衡。

碳勢與爐氣中的氣相成分相關(guān)，是氣氛中碳化能力的體現(xiàn)，碳勢越高，碳滲透速率就越大，碳化物含量越高，碳化物的形成也就越多。但是，如果碳位太高，就會產(chǎn)生炭黑，進(jìn)而導(dǎo)致碳位控制不到位，熔體和耐火材料的滲碳不均勻，清洗費(fèi)用增加，工作環(huán)境也發(fā)生變化。例如對9310鋼，從理論上講，如果設(shè)定好滲碳過程中強(qiáng)滲期與擴(kuò)散期的比例，就能既保證表層碳濃度不大于0.9%，又滿足HRC60深度兩項(xiàng)指標(biāo)。

滲碳層的最佳含碳量應(yīng)該在0.7%～0.9%，經(jīng)過淬火回火處理后，基本以隱狀馬氏體或少量參與奧氏體存在，使組織狀態(tài)得到很好的改善，進(jìn)而大大減少了出現(xiàn)磨削裂紋的概率。如果滲碳淬火溫度比較高，奧氏體中的含碳量也相對較多，最終就會得到更多粗大馬氏體和參與奧氏體。而粗大且呈針狀的馬氏體在降低材料使用壽命的同時還會削弱材料韌性，經(jīng)磨削作用導(dǎo)致表層出現(xiàn)微裂紋。如果殘余奧氏體的狀態(tài)不穩(wěn)定，經(jīng)冷卻或者磨削后就會成為脆性比較強(qiáng)的新生馬氏體，最終導(dǎo)致局部體積膨脹，增加磨削過程中出現(xiàn)裂紋或者燒傷現(xiàn)象的概率。滲碳后可采用適當(dāng)?shù)鸵恍┑拇慊饻囟龋垣@得控制在3級以下（QC/T262—1999）的隱晶馬氏體或細(xì)針狀馬氏體，進(jìn)而提高滲碳層斷裂強(qiáng)度。齒輪在滲碳淬火后應(yīng)馬上進(jìn)行充分、均勻的低溫回火。為了更好地消除淬火后的殘余奧氏體，可以在淬火與回火之間增加冰冷處理，使淬火后未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體組織。

馬氏體的分解和顯微裂紋的焊合在一定程度上會受到滲碳淬火后回火時間和溫度的影響，因此，應(yīng)該在科學(xué)技術(shù)的協(xié)助下盡可能降低齒輪表明的硬度，以便能夠除去淬火后的組織應(yīng)力。對回火時間和回火溫度不足的現(xiàn)象，如果不能將淬火內(nèi)應(yīng)力有效除去，就會導(dǎo)致殘留的奧氏體在齒面溫度較高的情況下再次轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊鸾M織，使其體積增大并形成內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。在回火過程中，一旦表面加熱速度太快，就會因表層優(yōu)先回火而產(chǎn)生多向拉應(yīng)力，在進(jìn)行磨削加工過程中，因應(yīng)力疊加而產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。對此，可以適當(dāng)增加回火次數(shù)，通過延長保溫時間或者提升回火溫度來轉(zhuǎn)變淬火馬氏體，以此來改善組織脆性，避免裂紋的產(chǎn)生。滲碳后零件經(jīng)淬火回火后為了獲得較好的表面應(yīng)力分布狀態(tài)，可以進(jìn)行吹砂或者噴丸處理，使表面獲得有利的壓應(yīng)力[6]。吹砂處理的工件可以將表面-100Mpa應(yīng)力降低至-500Mpa左右。

通常情況下，滲碳溫度應(yīng)該以900℃～930℃為宜，為了盡可能延緩晶體的成長速度，就需要將網(wǎng)狀滲碳體除去，并將滲碳后的淬火溫度控制在800℃～830℃之間。經(jīng)過淬火后的馬氏體組織呈膨脹狀態(tài)，入股使用兩次回火處理方法，就能夠確?；鼗饡r間和回火溫度得當(dāng)，最終達(dá)到消除淬火應(yīng)力的目的。實(shí)踐表明，材料為12Cr2Ni4A的齒輪的齒面硬度58HRC～62HRC，滲碳層厚度1.2mm～2mm，碳化物和殘余奧氏體級別為3級，可有效防止殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，磨削裂紋率可降低10%以上。

5 結(jié)語

綜上所述，該文通過分析成形磨齒產(chǎn)生裂紋的原因，并對其進(jìn)行冷、熱加工工藝的優(yōu)化，可以極大地減少磨削裂紋的發(fā)生，改善齒輪的加工質(zhì)量，進(jìn)而為企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。