磨削加工是齒輪生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)，在機(jī)械行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。經(jīng)滲碳淬火回火后的零件在磨削時(shí)常出現(xiàn)磨削裂紋，這些裂紋不僅影響齒輪的外觀，還嚴(yán)重影響質(zhì)量。磨削裂紋的深度一般較淺，方向與磨削方向垂直，呈網(wǎng)狀分布。引起磨削裂紋產(chǎn)生的原因有很多，如成分偏析、非金屬夾雜、網(wǎng)狀碳化物、磨削量、砂輪硬度及粒度等。當(dāng)工件表層的殘余拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋。通常采用磁粉法、熒光法和酸浸法進(jìn)行檢測(cè)。
太原重工生產(chǎn)的20CrMnMo 鋼齒輪經(jīng)過(guò)滲碳 (930 ℃)+淬火(830 ℃)+回火(180 ℃)后，在磨削加工過(guò)程中磨齒機(jī)進(jìn)行余量分配時(shí)共磨削十二刀，第七刀發(fā)現(xiàn)磨齒機(jī)電流突然增加，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)齒面有裂紋，磨齒機(jī)粗磨每次排刀0.02 mm, 每刀分六沖程磨削。
一、理化檢驗(yàn)
宏觀觀察
通過(guò)對(duì)齒輪齒面裂紋進(jìn)行宏觀觀察、磁粉探傷和酸浸試驗(yàn)，確定裂紋形態(tài)。圖1(a) 為齒輪的宏觀形貌，圖1(b) 為從齒輪上切割下的單齒齒面裂紋形貌，從圖1(b) 中可以看出裂紋呈線狀分布，其分布形態(tài)為從齒頂至節(jié)圓上部呈龜甲狀，并且在裂紋下端靠近齒根部位有明顯的焦黑狀條紋，裂紋方向垂直于磨削方向。
化學(xué)成分及夾雜物分析
化學(xué)成分分析：根據(jù)圖紙要求，該齒輪為20CrMnMo 鋼，為確認(rèn)材質(zhì)是否符合要求，采用 PMI-MASTER PRO 光譜分析儀對(duì)齒輪的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。從 表1可以看出P 含量略微超標(biāo)，但仍位于上限偏差范圍內(nèi)，基本符合20CrMnMo 鋼化學(xué)成分范圍要求，其化學(xué)成分滿足要求。
非金屬夾雜物分析：為了判斷鍛件組織是否合格，根據(jù)要求對(duì)鍛件的高倍夾雜情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。高倍非金屬夾雜物按 GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物的含量的測(cè)定》評(píng)定。結(jié)果表明，齒輪鍛件純凈度合格，滿足要求。
顯微組織及硬度
顯微組織：對(duì)本體進(jìn)行解剖，取下齒形試樣，分別對(duì)齒頂、裂紋面節(jié)圓、裂紋處及齒根處進(jìn)行顯微組織觀察，所用設(shè)備為 Axiovert40MAT 金相顯微鏡,依據(jù) JB/T 6141.3-1992《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》進(jìn)行檢驗(yàn)，工件組織要求1～3級(jí)，結(jié)果如表3所示。
圖2分別為20CrMnMo 鋼齒輪齒頂馬氏體及殘留奧氏體、齒頂碳化物及心部組織形貌，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照后，發(fā)現(xiàn)齒頂馬氏體及殘留奧氏體3級(jí)，為細(xì)針馬氏體及30%殘留奧氏體，齒頂碳化物為細(xì)顆粒狀碳化物，心部組織3級(jí)，為低碳馬氏體加少量游離鐵素體。
裂紋面節(jié)圓處組織為馬氏體及殘留奧氏體，3 級(jí)，屬于細(xì)針馬氏體和30%殘留奧氏體，并存在輕微的二次淬火組織，碳化物1 級(jí)，為細(xì)顆粒狀碳化物，組織滿足要求，沒(méi)有超標(biāo)現(xiàn)象。
圖3為裂紋處組織，為淬火馬氏體。齒根處組織是馬氏體及殘留奧氏體，3 級(jí)，為細(xì)針馬氏體加 30%殘留奧氏體，碳化物1 級(jí)，為細(xì)顆粒狀碳化物，組織均滿足要求。
為了更加清楚地觀察裂紋處組織，對(duì)裂紋處進(jìn)行組織檢測(cè)。試樣沿齒面并垂直于裂紋方向切割，尺寸為20 mm×20 mm×20 mm。
在磨齒過(guò)程中，局部進(jìn)刀量過(guò)大，導(dǎo)致接觸面溫度急劇上升，組織奧氏體化，在冷卻液的作用下表面產(chǎn)生淬火現(xiàn)象，硬度上升，此為工件經(jīng)過(guò)滲碳淬火后，經(jīng)歷的第二次淬火，次表層由于得不到及時(shí)冷卻，會(huì)在表層傳來(lái)的遞減的熱量下被回火，硬度下降。
圖4為裂紋經(jīng)拋光后的形貌，圖5為裂紋腐蝕后的形貌，從圖中可以看到裂紋處出現(xiàn)白亮區(qū)，為淬火馬氏體，判定為二次淬火組織。
觀察裂紋處組織發(fā)現(xiàn)，組織有白亮色和暗黑色兩個(gè)不同區(qū)域，采用顯微硬度計(jì)對(duì)兩區(qū)域的硬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出黑色區(qū)域硬度值明顯偏低，白亮區(qū)域硬度值為67.8 HRC 和暗黑色區(qū)域硬度值51.8 HRC。
硬度檢測(cè)：對(duì)滲碳淬火后齒輪的硬度進(jìn)行檢測(cè)，所用設(shè)備為 HM-221 半自動(dòng)顯微硬度計(jì)，依據(jù) GB/T 9450- 2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，滲碳淬火后齒輪的硬度滿足技術(shù)要求(58～62 HRC)。
二、磨削裂紋的產(chǎn)生原因與預(yù)防措施
裂紋產(chǎn)生原因
根據(jù)上述所作檢測(cè)可以得出：材料的化學(xué)成分 (見(jiàn)表1)及純凈度(見(jiàn)表2)滿足要求，由此排除了鍛件本身的質(zhì)量問(wèn)題。
工件滲碳淬火后，組織中存在的殘留奧氏體過(guò)多、網(wǎng)狀碳化物等，會(huì)導(dǎo)致磨削過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。網(wǎng)狀碳化物會(huì)使齒面硬度增大，在磨削過(guò)程中，砂輪與磨削面接觸后造成磨削區(qū)溫度迅速升高，易產(chǎn)生二次淬火，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)易使磨削區(qū)內(nèi)應(yīng)力增大。對(duì)工件本體解剖后分析齒頂、節(jié)圓、齒根等處的顯微組織(見(jiàn)表3),各處的組織均滿足要求，排除網(wǎng)狀碳化物及馬氏體殘奧超標(biāo)造成開(kāi)裂。
在磨削過(guò)程中，如果齒面硬度偏高，在砂輪與齒面接觸的瞬間，磨削區(qū)的溫度會(huì)迅速升高，可能出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象，表層被二次淬火，次表層被回火，使顯微組織發(fā)生變化，由于各組織的比容不同，在二次淬火后會(huì)在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力大于材料本身的抗拉強(qiáng)度，便會(huì)在齒面產(chǎn)生磨削裂紋。對(duì)齒頂、節(jié)圓、齒根等處使用顯微硬度計(jì)由外至內(nèi)硬度檢測(cè)(見(jiàn)表4),工件的表面硬度以及硬度降均能滿足要求。
由以上結(jié)果可以排除工件滲碳淬火質(zhì)量不良產(chǎn)生磨削裂紋的可能。
工件磨削時(shí)，由于砂輪與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必然導(dǎo)致工件表面溫度的急劇升高，不同的溫度梯度，導(dǎo)致的裂紋形態(tài)也不同。當(dāng)工件表面溫度達(dá)到 100 ℃時(shí)，因表面馬氏體分解，使表面承受拉應(yīng)力而開(kāi)裂，裂紋形態(tài)與磨削方向垂直且相互平行。當(dāng)溫度達(dá)到300℃以上時(shí)，表面產(chǎn)生第二次收縮，使表面拉應(yīng)力超過(guò)脆斷抗力而出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象(2),如圖2所示。有時(shí)表面溫度可能達(dá)到820～840 ℃或更高，如果冷卻不充分，表面薄層重新奧氏體化，形成淬火馬氏體，由組織應(yīng)力和熱應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)磨削裂紋。
由圖6結(jié)合表4裂紋處的硬度降可知，裂紋處的硬度降在第一點(diǎn)白亮區(qū)(64.3 HRC), 第二點(diǎn)黑色區(qū)(52.5 HRC)以及第五點(diǎn)正常區(qū)(60.3 HRC)呈開(kāi)口向上的U 型曲線，與沒(méi)有裂紋的正常區(qū)域的硬度降截然不同。
在磨削過(guò)程中齒面磨削區(qū)驟然受熱，產(chǎn)生高溫，表層小面積體積膨脹，組織奧氏體化，冷卻液隨之對(duì)其冷卻，產(chǎn)生二次淬火，表面急劇收縮，硬度增高，次表層區(qū)域被回火，硬度降低。在表層冷卻收縮的同時(shí)，由于冷卻過(guò)慢，次表層仍處于膨脹狀態(tài)，表面呈殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，隨著磨削的進(jìn)行，在齒面存在切向應(yīng)力，由于次表層硬度降低，其抗拉強(qiáng)度隨之降低，在殘余拉應(yīng)力與切向應(yīng)力的作用下齒面出現(xiàn)裂紋。
綜上所述，齒輪磨削裂紋是磨削工藝不當(dāng)導(dǎo)致磨削過(guò)熱所致。
預(yù)防措施
噴丸強(qiáng)化：噴丸強(qiáng)化是利用大量高速運(yùn)動(dòng)的丸粒沖擊工件的表面，使工件表面受到擠壓，發(fā)生冷塑性變形，形成表面壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力會(huì)抵消表面的一部分拉應(yīng)力，從而有效降低了裂紋的產(chǎn)生機(jī)率。本廠風(fēng)電產(chǎn)品要求強(qiáng)力噴丸，自裝備強(qiáng)力噴丸機(jī)以來(lái)，風(fēng)電產(chǎn)品未曾因磨削裂紋而報(bào)廢。
熱處理要求：對(duì)滲碳淬火工件，必須嚴(yán)格要求熱處理工序，滲碳的最主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間，滲碳淬火溫度經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐已經(jīng)沒(méi)有太多變化，通過(guò)降低強(qiáng)滲擴(kuò)散碳勢(shì)，分別為1.20%～1.30%Cp→ 1.05%～1.15%Cp,0.80%～0.90%Cp→0.65%~0.75%Cp, 并適當(dāng)延長(zhǎng)擴(kuò)散時(shí)間，此舉既能保證工件表面硬度，同時(shí)降低表面碳含量及奧氏體含量，降低磨裂傾向。
滲碳淬火過(guò)程的畸變也是影響磨齒后裂紋的關(guān)鍵因素，如工件畸變較大，在磨齒分配余量時(shí)會(huì)出現(xiàn)在畸變較大區(qū)域進(jìn)刀量大的現(xiàn)象，進(jìn)刀量過(guò)大會(huì)造成局部過(guò)熱，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋，因此必須嚴(yán)格控制，一般可以通過(guò)以下幾種方式來(lái)控制淬火畸變量。
(1)碳鋼和低合金鋼淬火冷卻到650 ℃之前，奧氏體還比較穩(wěn)定，允許以較慢的速度冷卻，以減少工件因內(nèi)外溫差而引起的熱應(yīng)力。在650～450 ℃ 范圍，要求有足夠的冷速(超過(guò)臨界冷卻速度),低于400℃特別在 Ms點(diǎn)以下緩慢冷卻，以減少組織應(yīng)力，防止過(guò)大的畸變和淬裂。根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)如下方案：工件在淬火時(shí)，提高淬火油溫度(≥90 ℃,經(jīng)驗(yàn)所得),熱油淬火，淬火油槽提前開(kāi)始攪拌，使油溫各處均勻，在工件入油時(shí)停止攪拌，入油一段時(shí)間(15～30 s, 經(jīng)驗(yàn)所得)后再開(kāi)始攪拌。
(2)設(shè)計(jì)淬火用工裝。由于工件入油冷卻過(guò)程中上下畸變不一致，為此，可以設(shè)計(jì)一套工裝，在工件上下各放置一件，保證工件上下兩端面的環(huán)境相同，畸變一致。本廠經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，效果已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)，以齒輪直徑1～2 m, 齒寬≤0.15 m 的厚徑比大于1:8的薄齒輪為例，滲碳淬火后上下端面的錐度絕對(duì)值控制在1 mm 以?xún)?nèi)，公法線錐變控制在0.3 mm 以?xún)?nèi)，根據(jù)后期磨齒反饋，未曾出現(xiàn)磨裂、齒面燒傷的現(xiàn)象。
磨削工藝：磨削裂紋產(chǎn)生的原因很多，但根本原因是磨削熱，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。
首先，應(yīng)采用濕磨法，利用冷卻液來(lái)降低工件與砂輪在磨削點(diǎn)上的熱量。
其次，選用合適的砂輪，砂輪的選擇對(duì)磨削溫度有重要影響，滲碳鋼硬度高，砂粒易磨鈍，為避免砂粒磨鈍而產(chǎn)生磨削熱，砂輪硬度應(yīng)稍軟一些，以便磨鈍的砂粒及時(shí)脫落，減少與工件的摩擦力。同時(shí)在選用砂輪時(shí)，易選用砂粒較粗的，因?yàn)榧?xì)砂輪容易被堵塞，磨削時(shí)產(chǎn)生熱量較大，使工件表面容易出現(xiàn)燒傷及裂紋，砂粒粒度粗一些，冷卻條件也可以改善，以減少工件的發(fā)熱量。
再次，應(yīng)嚴(yán)格控制磨削余量。若磨削余量留得過(guò)大，在高速磨削中會(huì)產(chǎn)生磨削熱，從而導(dǎo)致磨削裂紋等多種缺陷的產(chǎn)生，因而應(yīng)盡量減小磨削余量，在保證糾正工件畸變的前提下，余量越小越好，一方面可以降低成本，另一方面可以減小裂紋產(chǎn)生的可能性，保證淬硬層深度，提高齒輪承載能力。
最后，磨齒分配余量時(shí)應(yīng)盡可能多分配，因?yàn)辇X輪在熱處理過(guò)程中必定會(huì)有一定的畸變，個(gè)別齒的余量相對(duì)會(huì)較大，若只分配幾個(gè)齒則很難分配到最大余量處，那么在磨齒過(guò)程中有可能會(huì)因?yàn)橛嗔看蟮凝X面磨削量過(guò)大，而造成磨削裂紋。例如某齒輪在磨齒過(guò)程中共分配了7個(gè)齒，余量分配如表5所示。從表5 中可以看出，左齒面最大余量為 0.8200mm, 最小余量0.4455 mm, 最大量與最小量差值0.3745 mm。差值較大，且最大值不一定為整個(gè)齒輪上齒面的最大余量，可能會(huì)在磨削過(guò)程中造成部分齒面進(jìn)刀量較大，局部磨削過(guò)熱而產(chǎn)生裂紋。
三、結(jié)論
(1)齒輪化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表明，符合 20CrMnMo 鋼材質(zhì)要求，鍛件純凈度合格。
(2)未受磨削影響的齒頂與齒根組織和硬度基本合格，節(jié)圓處表面硬度偏高，存在輕微的二次淬火白亮區(qū)，裂紋處存在嚴(yán)重的二次淬火白亮區(qū)，表面硬度偏高(67.8 HRC), 組織為淬火馬氏體，次表層硬度驟降(51.8 HRC), 組織為回火馬氏體，裂紋處的組織及硬度均出現(xiàn)異常情況。
(3)齒輪磨削裂紋是磨削工藝不當(dāng)導(dǎo)致磨削過(guò)熱所致。
(4)可以通過(guò)改善磨削工藝、提高熱處理質(zhì)量及采用噴丸等方法降低磨削裂紋的產(chǎn)生幾率。
參考文獻(xiàn)略.