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    硬齒面齒輪磨削裂紋形成原因及其預防措施

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    【摘要】:
        硬齒面齒輪磨削裂紋是齒輪制造行業中,普遍存在的一個通病,直接影響著齒輪的正常使用及壽命。本文對磨削裂紋形成的原因進行全面分析,并從熱處理及機加工工藝兩個方面入手,提出預防和消除磨削裂紋的有效措施。
        科鑫齒輪是以生產高精度硬齒面重載齒輪為主的廠家,齒輪材料主要采用低碳合金鋼20CrMnTi、20CrNi2MoA、20Cr2Ni4A等。經滲碳淬火,齒面硬度在58~62HRC,齒輪最終的精度由磨齒機精磨加以保證。但在磨齒加工中,經常一批一批的齒輪出現大量磨削裂紋,報廢率居高不下,在經濟上造成巨大損失,嚴重困擾著我公司生產的正常進行。對此,我公司從熱處理和磨削工藝兩個方面,進行了大量和長期的研究工作,取得了顯著的成效,已將磨削裂紋控制到最低限度,使企業走出了困境。
    一、對現代硬齒面齒輪磨削的工藝要求
    (一)在磨齒中的磨削部位——漸開線齒形部分
    現代硬齒面齒輪在磨齒中的磨削部位只磨漸開線起始圓以上,漸開線終止圓以下的漸開線齒形部分。
    (二)在磨齒中的不磨削部位——齒根
    現代硬齒面齒輪在磨齒中不磨齒根具有以下好處:
    1.避免熱處理后齒根硬度的降低,保持滲碳淬火及噴丸強化后在齒面、齒根形成負的壓應力層,顯著有效的提高了齒輪的抗彎疲勞強度和承載能力。
    2.齒根溝槽槽底狹小,散熱能力差,以及過度曲線處余量大小變化大,砂輪工作條件差,在磨齒中容易產生磨削燒傷和磨削裂紋。
    3.齒根槽底磨削條件差,砂輪外圓磨粒容易脫落和磨損,從而影響磨齒質量。
    4.從抗斷齒能力來看,齒根處要有一定量的根切,齒根沒有一定的根切量,磨齒時不可避免的在齒根產生凸臺,這將造成嚴重的應力集中,對抗斷齒能力影響很大,發生凸臺是絕對不允許的。
    總之,齒槽根部不磨削可以提高齒輪承載能力,避免磨齒損傷,提高磨齒質量,降低磨齒負荷,提高生產率。
    (三)使用磨前滾刀進行齒形預加工
    1.對磨前滾刀簡介
    用普通的齒輪滾刀已無法滿足上述工藝的要求。因此在滾齒中,必須使用有觸角的磨前滾刀。磨前滾刀與普通滾刀的不同之處在于磨前滾刀的刀齒的頂部采用帶觸角的刀頭。
    在齒輪齒根處有一定量的根切,目的是使被加工齒輪的齒根部位預先成型,同時將齒面大部分余量切除,在齒形齒厚處均勻留出精加工時的余量。待滲碳淬火之后,磨齒時使齒根不再磨削。
    2.對磨前滾刀齒形的要求:
    ①齒輪的留磨余量要均勻;
    ②磨前齒輪在齒根處要一定根切;
    ③磨后齒輪的漸開線線要足夠長。
    3.對磨前滾刀的改進
    我單位早期使用的磨前滾刀存在以下問題:
    (1)齒根部位的圓弧包絡成形不充分,圓滑部位欠佳,有走刀刀痕,表面粗糙度不理想。
    (2)在磨齒中漸開線起始圓附近出現凸臺的情況比較嚴重。我單位經過了長期針對性的研究和分析,認為問題出在:
    a.磨削余量的增大;
    b.熱處理的變形量較大;
    c.磨前滾刀先天不足。
    由于原磨前滾刀包絡線成形不充分,提出從新設計磨前滾刀的思路,并從以下幾個方面入手:
    a.加大磨前滾刀的外圓直徑;
    b.增加滾刀刀排數量;
    c.變壓力角設計;
    d.在保證齒輪強度的前提下,適當增加挖根量。
    以上要求和國內有技術實力的刀具廠家達成了共識,共同開發并研制了適合重載齒輪加工的新型磨前滾刀。新型磨前滾刀不但徹底解決了以前存在的問題,而且加工的齒輪根部位非常圓滑,效果很好。
    (四)在磨齒中齒部不允許有磨削裂紋和磨削燒傷
    輪齒的折斷過程通常首先形成細微的疲勞裂紋和細微的疲勞裂紋逐步擴展而成。因此,在國內、外齒輪專業標準中規定:硬齒面齒輪磨齒后不允許有磨削裂紋和磨削燒傷。
    二、 硬齒面齒輪磨削裂紋的特點及產生原因
    (一)硬齒面齒輪磨削裂紋的特點
    磨削裂紋屬于最典型的表面裂紋,其垂直深度一般不超過0.5(㎜),淺的僅有0.010~0.020(㎜),深的有時也可超過1(㎜),但并不多見。
    (二)硬齒面齒輪裂紋的形成原因
    關于磨削裂紋的形成原因,國內外一致認為:磨削裂紋是磨削拉應力超過材料斷裂強度所致。直接影響磨削拉應力的因素有以下二個方面:
    1.熱處理方面:
    硬齒面齒輪磨削裂紋大都是發生在滲碳+淬火+低溫回火后的零件,因此,磨削裂紋與熱處理的質量密切相關,是個非常重要的因素。
    2.磨削工藝方面:
    磨削裂紋畢竟發生在磨削加工中,因此磨削工藝一直是個不可忽視的影響因素。
    A.熱處理方面的原因:
    (1)殘余奧氏體量過多,使局部拉應力增加。
    (2)回火不充分、回火溫度過低或回火時間不足,影響馬氏體中碳含量和馬氏體微裂紋焊合或尺寸減小的程度,從而影響馬氏體的斷裂韌性,磨削時的磨削熱產生較大的熱應力和組織應力,而產生磨削裂紋。
    (3) 滲碳淬火熱處理時產生過大的變形,造成磨削余量不均勻或增大了磨齒余量。
    B.磨削工藝方面:
    (1)磨齒余量大,會產生過多的磨削熱引起熱應力、組織應力增加與磨削拉應力加在一起,增加裂紋傾向。
    (2)切削用量搭配不合理。
    (3)砂輪選擇不當。
    (4)冷卻油溫過高或油量不充足。
    三、 防止硬齒面齒輪磨齒裂紋的工藝措施
    (一)熱處理方面的工藝措施
    對磨削裂紋越敏感的材料,在磨削中越容易形成裂紋,降低材料對磨削裂紋敏感的程度,就降低了磨削裂紋的發生機率。20CrMnTi和20Cr2Ni4A這二種材料對磨削裂紋是比較敏感的材料,而這種敏感性又因滲碳熱處理工藝規范的不同而不同,因此可通過改變滲碳、淬火、回火工藝而加以適當的調控和降低。正因為如此采取以下措施:
    1.降低滲碳件的淬火溫度:用20CrMnTi加工的齒輪,在930℃中滲碳,滲碳后直接淬火,由淬火溫度860℃降至830℃時,在不改變磨削條件的情況下,也可以消除較為嚴重的磨削裂紋。
    2.表面碳濃度要適當,碳濃度應控制在0.7%~0.9%范圍之內。碳濃度分布梯度要平緩,以保障良好的表面強度和應力分布。
    重載齒輪的碳含量應控制在下限,這樣就有利于控制碳化物的大小和形狀。碳含量控制在上限時,會增強形成殘余奧氏體的趨向,并有增加碳化物,表層氧化與降低齒根強度的趨向。據有關資料表明,美國對重載齒輪表面碳濃度已控制在0.65%左右。
    3.回火越不充分,磨削裂紋敏感性就越高。因此, 必須進行充分回火,以提高滲碳淬硬表面的塑性,使殘余應力得以平衡或降低,改善表面應力的分布狀況。從而降低出現磨削裂紋的機率。
    4.控制殘余奧氏的數量,防止齒輪在磨削時產生組織轉變,而產生較大的組織應力,嚴格控制殘余奧氏體在25%之內,對重要的齒輪應控制在20%以內。
    5.主要控制碳化物的大小、數量、形態和分布,以獲得彌散分布細顆粒碳化物,從而提高材料的斷裂強度,減少脆性。
    6.控制馬氏體的級別,要獲得隱晶狀、細針狀的馬氏體,避免產生粗大針狀馬氏體,從而減少裂紋源,以提高材料的斷裂強度。馬氏體的級別3級最佳。
    7.采取必要的工藝措施控制熱處理的變形,以減小磨齒余量。
    (二)機加工方面的工藝措施:
    根據有關文獻表明,砂輪與齒面接觸區的平均溫度一般為:500-800℃,磨粒磨削點的溫度可達1000℃,且80%以上的熱將傳入齒輪。由于磨齒時產生的大量磨削熱,使齒面磨削區域局部受到很大的熱應力和熱脹冷縮變形,磨削熱得不到有效控制時,齒面就容易產生磨削裂紋和磨削燒傷,因此,機加工方面工藝措施的重點將放在如何減小和控制磨削熱的方面。
    1.降低粗滾齒時的齒面粗糙度,應控制在Ra3.2~Ra6.3。
    2.嚴格控制粗滾齒時的公法線余量,不允許隨意加大磨齒余量。
    3.熱處理后嚴格按照工藝要求的位置和允許的范圍找正,以便盡可能減小熱變形的誤差。
    4.在磨齒前必須采取硬齒面的滾切技術對齒面進行刮齒加工,使磨齒余量均勻,最大限度減小磨齒余量,也就是最大限度的減小磨削熱。
    5.合理選擇、搭配切削用量,選擇的原則為較高的砂輪轉速,較快的沖程,適當的進給。
    德國推薦NILES-ZSTZ630C3(相當于國產Y7163A),當齒面的硬度在HRC58~62時:粗磨0.03~0.06;精磨0~0.01。
    據國外資料表明以及我公司的體會:對齒面粗磨階段,是磨削裂紋形成的關鍵時刻,絕大部分磨削裂紋產生于這個階段。在這一階段,要特別加以注意。
    6.選擇砂輪是磨齒加工中一個重要的環節:砂輪選用是否恰當,對磨齒精度和效率有很大影響。對砂輪的硬度、粒度、組織選擇的不當,就非常容易出現齒面燒傷和磨削裂紋。因此,應從以下幾個方面加以選擇:
    (1)磨料:(代號PA)紅色鉻剛玉,鉻剛玉的硬度與白剛玉(代號WA)接近,而韌性比白剛玉好,用鉻剛玉磨削韌性大的鋼材時。效率比白剛玉高,砂輪的耐用度以及磨削表面粗糙度也要好,因此優選(代號PA)。
    (2)結合劑 :把砂粒粘結在一起,形成砂輪的材料。目前,磨齒機上用的砂輪結合劑,基本上都是陶瓷粘合劑(代號V);陶瓷粘合劑性能穩定,耐水耐熱不變質,能適應各種冷卻液磨削,而價格又低。
    (3)硬度 :砂輪越硬,其多孔性越差,在磨削過程中,砂輪粒間的孔隙很快被磨粒堵塞,加上硬度高的砂輪自銳性差,磨鈍的砂粒又不易脫落,造成砂輪與工件表面間的擠光現象,影響熱量散發,使磨削熱增加,很容易產生燒傷和裂紋。
    較軟的砂輪磨損很快,不禁用,將直接影響磨齒精度。
    因此,選擇砂輪硬度的原則:加工軟材料時,要選較硬的砂輪;加工硬材料時,要選較軟的砂輪。磨削硬的低碳合金鋼時,應該選用(K~J)的砂輪。(新-老型號對照:K-中軟1、J-軟3)
    (4)組織 :優先選用具有一般多孔結構的砂輪,砂輪組織分區5級用的最多。
    (5)粒度:粒度越小在單位面積內同時參加磨削的磨粒就越多,相應的切削力和磨削熱就越大,容易磨裂,在保證齒面磨削精度的情況下,常用的粒度號為:46#~60# ,對于齒輪模數較小時,就應該選粒度號大一些的砂輪,當齒輪模數較大時,就應選用粒度號小一些的砂輪。(用號數表示的磨粒,數目越大,顆粒尺寸越?。?/div>
    (6)形狀和尺寸 我單位磨齒機的型號為格里森P800/600、格里森P1200,
    7. 砂輪修整器金剛石的鋒利狀況不容忽視:在這方面,我公司的教訓非常深刻。由于金剛石尖部鈍化,造成砂輪修整后不鋒利,在磨削中導致磨削熱大量增加,曾經一度是我公司在磨齒中產生磨削裂紋的主要原因。因此,一旦金剛石磨鈍后,應即時修尖,恢復其鋒利的工作狀態,是修好砂輪的前提和保證。
    8.冷卻液是磨削中一個極為重要的環節,要引起足夠的重視。磨齒機采用展成工作原理,所以砂輪和齒面在磨削過程是點接觸,由此產生的磨削熱由流過砂輪和齒面的強力冷卻液帶走,這種磨削方式能防止產生磨削裂紋,同時砂輪始終不被堵塞,磨削粉塵也不四處飛散,環保效果好。因此,冷卻液必須充分,并直接噴在磨削區,流量選取40~45L/min,壓力為0.8~1.2Mpa。要經常保持冷卻液的純凈,循環中要經過過濾網,控制冷卻液的溫度,必要時應當使用散熱器。使用中應特別注意,冷卻液的流量及噴射沖刷的力度是否足夠,一旦發生變化,檢查冷卻泵濾網是否被堵塞,對濾網要定期清洗和檢查。
    四、 消除硬齒面齒輪磨削裂紋的工藝措施
    對于硬齒面齒輪在磨削過程出現磨削裂紋時,應首先分析產生磨削裂紋的原因,再根據工況進行以下處理:
    (一)二次回火法及其作用
    1. 二次回火法
    通過適當延長滲碳淬火件的回火時間、提高回火溫度、增加回火次數使之充分回火,以達到消除和減少磨削裂紋的目的,具體作法如下:
    (1)對齒輪進行180℃不小于16小時的回火處理后,再進行磨齒或先刮齒再磨齒;磨削裂紋嚴重時,可進行兩次低溫回火。
    (2)在160℃~180℃的熱油中,進行時效12小時,效果更佳。
    由于以上方法簡單易行,效果好,常用于預防和消除磨削裂紋上。
    2. 根據我公司的體會,充分回火的作用如下:
    (1)充分回火會顯著降低各種鋼的磨裂敏感性。
    (2)充分回火減小了微觀應力。
    (3)充分回火會使顯微裂紋自動焊合。
    (4)充分回火會使淬火殘余應力得到更好的消除。
    3. 回火充分與否的鑒別方法
    (1)對滲碳淬火后,已加工的零件,以回火后零件加工部位的表面呈現出的顏色加以判斷。當呈現出金黃色的顏色時,表明已充分回火;出現草黃色時,仍需再次回火。
    (2)對滲碳淬火后,未加工的零件,可用砂紙打光、打亮滲碳淬火零件的局部某一部位的表面,直至該表面呈現出金屬光澤為止,然后通過回火后該表面呈現出的顏色加以判斷。
    4. 二次回火中的注意事項
    (1)為了盡可能的減小零件變形,回火中可將零件在100℃的爐溫中保溫1~2小時后,然后升溫至180℃,按14~15小時進行回火。
    (2)對于滲碳淬火后已加工的零件,在回火中應進行適當的防護。
    (二)刮齒去除法
    將出現裂紋的齒面,采用硬質合金滾刀將裂紋齒面刮干凈后,再進行磨齒。這一方法主要用于:
    (1)齒厚有足夠的余量。
    (2)裂紋深度較淺時, 應用比較多見。
    (三)磨齒去除法:
    我公司在磨削大行星輪時,發生了嚴重的磨削裂紋,以此作為典型的磨齒去除法實例,分述于下:
    1.對有嚴重磨削裂紋的大行星輪有關情況簡介:
    (1)大行星輪技術參數:
    m=9 z=66 α=20° f=1 齒寬=60
    (2)材料及熱處理狀況:
    20CrMnTi 滲碳深度 1.8~2.3 表面硬度HRC58~62
    (3)變形情況及磨齒余量:
    滲碳淬火后,由于變形所致,公法線脹大后的實際尺寸為:1.25(㎜)。
    磨齒余量:0.65(㎜);出現嚴重磨削裂紋時,磨削余量尚有:0.7(㎜)。
    (4)磨削裂紋的現狀:
    磨削裂紋最嚴重的一個齒的右側齒面有14根平行裂紋,沿齒寬與磨削方向成垂直分布;裂紋的長度接近齒高長度,幾乎每個齒的左、右齒面都有磨削裂紋,裂紋的根數多少不等,呈不連續和無規則分布,裂紋的情況十分嚴重。
    2. 我公司采取以下措施:
    (1)將有嚴重磨削裂紋的齒輪放入180℃熱油中,進行保溫12個小時的時效處理。
    (2)更換砂輪:原用砂輪硬度為K級更換為J級。
    (3)由于冷卻泵在沒有安裝濾網的情況下長期使用,造成冷卻油箱嚴重污染,箱內磨削沉淀物沿整個箱底有6公分厚一層。因此,徹底清洗冷卻油箱,更換新油,確保冷卻質量和效果。
    (4)在去除磨削裂紋的磨削中,進刀量控制為0.025(㎜)。
    (5)在去除磨削裂紋的磨削中,每磨完2圈,就必需對砂輪進行修整一次,以便砂輪在工作中,保持鋒利的工作狀態。
    (6)對砂輪修整器已磨鈍的金剛石進行修尖,恢復其鋒利特性。
    (7)交流變頻器由原設定的33HZ增至45HZ增加了滑座沖程次數。
    經采取以上措施,嚴重的磨削裂紋全部予以消除。
     
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