黃志輝

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215000)

合金鋼齒輪制造過程中磨削裂紋的預(yù)防措施

黃志輝

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215000)

分析了合金鋼齒輪磨削裂紋產(chǎn)生的原因,歸納了齒輪滲碳淬火和磨削工藝過程中容易導(dǎo)致磨削裂紋產(chǎn)生的諸多因素,并針對(duì)這些因素,提出了解決問題的措施。

合金鋼齒輪;磨削裂紋;預(yù)防措施

在機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中,20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼由于具備較好的機(jī)械性能,被普遍作為重載傳動(dòng)齒輪的材料。通過鍛造、正火、粗加工、退火、齒形加工、滲碳淬火、磨齒等一系列工序,最終制造出合格的齒輪。然而,實(shí)際生產(chǎn)制造過程中,有時(shí)因鋼件熱處理或磨削工藝處理不當(dāng),齒輪表面時(shí)常會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋現(xiàn)象,影響了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1 磨削裂紋產(chǎn)生的原因分析

所謂磨削裂紋,是指齒輪經(jīng)磨削后,在齒輪表面產(chǎn)生細(xì)而淺的裂紋,這些裂紋大多垂直于磨削方向,有時(shí)候,也有呈龜裂狀的細(xì)小裂紋,裂紋深度大約在011～012mm之間。齒輪表面出現(xiàn)裂紋,其實(shí)質(zhì)是齒輪表面產(chǎn)生了過大的應(yīng)力,當(dāng)這些內(nèi)在應(yīng)力超過了材料強(qiáng)度的極限時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

1.1 齒輪表面滲碳淬火工藝不當(dāng)導(dǎo)致的裂紋

為達(dá)到齒輪的機(jī)械性能及表面硬度和耐磨性需求,20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼齒輪需經(jīng)過滲碳淬火工藝過程,滲碳淬火工藝過程不當(dāng),會(huì)給齒輪磨削裂紋的產(chǎn)生帶來隱患。

1.1.1 滲碳 表面滲碳常用氣體滲碳工藝,即將工件裝入密封的井式氣體滲碳爐中,加熱至900～950℃,采用液體碳?xì)浠衔锏稳霛B碳爐中,使加熱后分解出活性碳原子,深入工件表面。滲碳過程中,加熱溫度高,則滲碳速度就快,擴(kuò)散層的厚度也大,但溫度過高會(huì)引起奧氏體晶粒粗大,淬火后,形成粗大的針狀馬氏體,使材料變脆,磨削時(shí)容易發(fā)生脆裂。另外,滲碳含量的大小,對(duì)齒輪的磨削裂紋也會(huì)有影響,當(dāng)含碳量高于112%,相應(yīng)組織中便形成網(wǎng)狀或尖角狀碳化物,殘余奧氏體較多,過多而且分布不良的碳化物在磨削中會(huì)發(fā)生脆裂而形成裂紋,大量的殘余奧氏體在磨削過程中,由于受擠壓力的作用,會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而形成局部體積膨脹,同時(shí)又在磨削熱的作用下引起收縮,最后形成拉應(yīng)力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

1.1.2 淬火 淬火溫度過高,也會(huì)使齒輪表面形成粗針馬氏體,由于粗針馬氏體脆性高,磨削時(shí)就容易產(chǎn)生脆裂。

1.1.3 低溫回火 為使齒輪表面獲得較高的硬度和耐磨性,同時(shí)改善心部組織,滲碳淬火后要進(jìn)行低溫回火處理,但如果回火不足,齒面磨削時(shí),一旦溫度達(dá)到200～300℃,工件中殘留奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊鸾M織,其體積膨大,形成內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

1.2 齒輪表面磨削工藝不當(dāng)導(dǎo)致的裂紋

磨削工藝不當(dāng),會(huì)產(chǎn)生較大的磨削熱,磨削熱會(huì)導(dǎo)致磨削裂紋的產(chǎn)生。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料顯示,齒輪表面磨削時(shí),當(dāng)砂輪線速度為V=18m/s,磨削深度t=0105mm時(shí),磨削區(qū)的溫度達(dá)900～1100℃,這個(gè)溫度,足以使齒面金相組織發(fā)生變化,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致表面裂紋產(chǎn)生。在濕磨狀態(tài)下,如果冷卻程度得不到保證,依然會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋。當(dāng)工件表面溫度達(dá)到150～200℃時(shí),因表面馬氏體分解,表面就因受到拉應(yīng)力而開裂,裂紋狀態(tài)與磨削方向垂直。當(dāng)工件表面溫度達(dá)到200℃以上時(shí),因表面產(chǎn)生索氏體或托氏體,使表面拉應(yīng)力超過脆斷抗力而出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。當(dāng)表面溫度達(dá)到820℃以上時(shí),就形成了淬火馬氏體,則其組織應(yīng)力導(dǎo)致了磨削裂紋的產(chǎn)生。實(shí)際制造過程中,磨削熱得不到控制的原因大致有如下三個(gè)方面。

1.2.1 冷卻不充分 齒輪表面磨削,必須使用潤(rùn)滑冷卻液,潤(rùn)滑冷卻液一方面帶走磨削熱,起到降低磨削區(qū)溫度的作用,另一方面,起到潤(rùn)滑和沖洗作用。但由于市場(chǎng)上潤(rùn)滑冷卻液種類繁多,不同潤(rùn)滑冷卻液的滲透性和潤(rùn)滑性等特性差別較大,因此,如果潤(rùn)滑冷卻液使用不當(dāng),磨削熱就得不到理想的控制。

1.2.2 砂輪不合適 砂輪的硬度和粒度對(duì)磨削熱的產(chǎn)生影響較大,砂輪太硬,自勵(lì)性就差,磨削過程中砂粒間的空隙易被磨屑堵塞,且不易脫落,使磨削接觸面積增大,磨削熱增加;砂輪粒度越小,砂輪與工件的接觸面積也相對(duì)增大,也會(huì)增加磨削熱。

1.2.3 磨削用量不合理 磨削用量指磨削速度、磨削深度和進(jìn)給量,過大的磨削用量,使磨削力增大,砂輪與工件表面的摩擦力隨之增大,無疑會(huì)使磨削熱增加。

2 磨削裂紋產(chǎn)生的預(yù)防措施

針對(duì)磨削裂紋產(chǎn)生的原因,應(yīng)在齒輪滲碳淬火和磨削工藝方面,采取相應(yīng)措施,以防止磨削裂紋的產(chǎn)生。

2.1 合理使用滲碳淬火工藝

2.1.1 合理滲碳 由于過高的滲碳溫度,磨削時(shí)容易發(fā)生脆裂,所以滲碳溫度達(dá)到900℃即可。當(dāng)爐內(nèi)溫度降至880℃時(shí),將工件取出緩冷。爐內(nèi)滲碳時(shí),嚴(yán)格控制液態(tài)碳?xì)浠衔锏牡稳肓亢偷稳胨俣?滲碳層表面的含碳量以0185%～1105%為好。

2.1.2 滲碳后淬火 淬火溫度不宜過高,為得到零件較好的心部和表層組織,可采用重新加熱淬火工藝,淬火溫度在800～850℃之間。

2.1.3 低溫回火 淬火后,采用低溫回火工藝,將工件加熱至180℃,保溫8h,然后空冷。如此低溫回火后的工件,一方面起到了減少淬火應(yīng)力和提高工件韌性的功效,另一方面,有利于防止工件表面磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量,引起表面馬氏體收縮而帶來的應(yīng)力,減少了磨削裂紋出現(xiàn)的可能性。

圖1 20C rM nTi齒輪滲碳淬火工藝曲線示意圖Fig11 20CrMnTi gear carburizing and quenching process drawing

2.2 合理使用磨削工藝

2.2.1 合理冷卻 齒輪表面磨削,應(yīng)采用濕磨法,選擇合適的潤(rùn)滑冷卻液,盡量減小磨削熱,實(shí)現(xiàn)低溫狀態(tài)下磨削。實(shí)踐表明,使用普通水溶性冷卻液時(shí),磨削表面易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋,而采用油性含硫極壓磨削液時(shí),由于極壓添加劑與金屬表面起作用,形成一層牢固的潤(rùn)滑膜,在磨削界面的高壓下有良好的潤(rùn)滑和抗粘著性能,一般不會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋。因此,齒輪表面磨削,宜使用硫化極壓乳化油類潤(rùn)滑冷卻液。有實(shí)驗(yàn)表面,使用低標(biāo)號(hào)機(jī)油也有較好的冷卻潤(rùn)滑效果,但10號(hào)機(jī)油易產(chǎn)生泡沫,用20號(hào)機(jī)油比較理想。值得特別注意的是:在使用潤(rùn)滑冷卻液冷卻時(shí),要有足夠的流量和壓力,保證磨削區(qū)充分冷卻并及時(shí)沖掉粘附在砂輪上的切屑。

2.2.2 砂輪選擇 20CrMnTi材料表面滲碳淬火后,硬度可達(dá)HRC60左右,為了避免砂粒磨鈍而產(chǎn)生的磨削熱,砂輪硬度宜軟一些,按照磨具硬度等級(jí),選用中軟砂輪比較適宜,以便磨鈍的砂粒及時(shí)脫落,減少砂輪與工件的摩擦力,利于保持砂輪的自銳性。同時(shí),砂輪粒度不宜過細(xì),細(xì)粒砂輪容易被堵塞,磨削時(shí)產(chǎn)生較大的熱量,使工件表面層容易出現(xiàn)燒傷及裂紋,砂輪粒度粗一些,冷卻條件也可以改善一些,以減少工件的發(fā)熱量,如果表面精度要求較高,也只有在最后精磨時(shí),才可考慮用粒度號(hào)較高的細(xì)砂輪磨削。

2.2.3 合理使用磨削用量 使用適當(dāng)?shù)哪ハ饔昧?盡可能減少因過大的磨削用量而產(chǎn)生的磨削熱。特別是磨削深度不宜過大,砂輪轉(zhuǎn)速不宜過高,推薦選擇的砂輪轉(zhuǎn)速在25m/s左右,齒輪模數(shù)較大時(shí),砂輪轉(zhuǎn)速可適當(dāng)提高,反之,要適當(dāng)降低砂輪轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,20CrMnTi鋼齒輪,工件模數(shù)與砂輪線速度的無磨裂臨界比曲線如圖2所示,曲線右下方Ⅰ區(qū)為容易出現(xiàn)磨裂的危險(xiǎn)區(qū),曲線左上方Ⅱ區(qū)為安全區(qū)。磨削深度也要合理控制,粗磨時(shí),推薦磨削深度在0102～0103mm之間,精磨時(shí),推薦磨削深度在0101mm左右。

3 結(jié) 論

如上所述:為盡量減少齒輪磨削裂紋的產(chǎn)生, 20CrMnTi合金鋼齒輪制造過程中,應(yīng)該特別關(guān)注滲碳淬火和磨削工藝。在滲碳淬火工藝過程中,注意保持適當(dāng)?shù)臐B碳溫度和液態(tài)碳?xì)浠衔锏牡稳肓?滲碳層表面的含碳量可控制在0185%～1105%范圍內(nèi),并應(yīng)控制好滲碳后淬火和低溫回火的溫度和時(shí)間;在齒輪磨削過程中,推薦使用的潤(rùn)滑冷卻液為硫化極壓乳化油類潤(rùn)滑冷卻液或20號(hào)機(jī)油,并合理使用砂輪和切削用量。

圖2 工件模數(shù)與砂輪線速度的無磨裂臨界比曲線Fig12 The critical ratio curve of the gear modulus and the grinding wheel linear velocity without grinding crack

[1] 《機(jī)械工程手冊(cè)》編輯委員會(huì)1機(jī)械工程手冊(cè)[M]1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19811

[2] 《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》修訂組1金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)[M]1上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,19871

[3] 鄧文英1金屬工藝學(xué)[M]1北京:人民教育出版社,19811

[4] 錢玖娟1滲碳淬火鋼齒輪磨削裂紋及其消除[J]1科學(xué)之友,2008(18):361

The Preventive Measures of Alloy Steel Gears Grinding Cracks in the Manufacturing

HUANG Zhihui
(Suzhou Industrial Park Vocational Technology Institute,Suzhou 215000,China)

The paper analyzed the reason of alloy steel gears grinding cracks,summed up many factors which affected grinding cracks easily in the process of the gear carburizing quenching and griding and pro-posed some measures to solve the problem.

alloy steel gear;grinding crack;prevention measures

TG 61

A

1671-7880(2010)05-0059-03

2010-08-10

黃志輝(1963— ),男,江蘇蘇州人,副教授,高級(jí)工程師,研究方向:機(jī)械制造。