摘 要:某齒輪磨削后表面產生了裂紋,其中齒頂裂紋為常規(guī)的磨削裂紋,而齒根裂紋為縱深較 大的非常規(guī)磨削裂紋,采用化學成分分析、非金屬夾雜物檢驗、金相檢驗等方法對裂紋產生的原因 進行了分析,并從應力角度對磨削裂紋進行了分類.結果表明:磨削齒輪時進刀量過大使得摩擦應 力陡增,在該摩擦應力與熱應力的共同作用下材料表面被拉裂,導致該齒輪齒頂、齒根產生裂紋;從 致使磨削裂紋產生的主導應力角度將磨削裂紋分為內應力主導的磨削裂紋和摩擦應力主導的磨削 裂紋,該齒輪齒頂裂紋屬于內應力主導的磨削裂紋,齒根裂紋屬于摩擦應力主導的磨削裂紋.

關鍵詞:磨削裂紋;摩擦應力;殘余內應力;進刀量

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５２６Ｇ０３

磨 削 裂 紋 是 碳 素 鋼 和 滲 碳 鋼 經 熱 處 理 淬 火 后,在磨削時比較常見的加工質量問題,磨削裂紋 通常情況下較淺,一般深度為０．０２~０．２０ mm,且 裂紋垂直于 或 大 致 垂 直 于 磨 削 面[１].然 而,筆 者 在近幾年的 失 效 分 析 中 發(fā) 現(xiàn),有 些 磨 削 裂 紋 深 度 是前述最大深度的５倍,約１ mm 深,且裂紋并非 垂直或大致 垂 直 于 磨 削 面 向 縱 深 發(fā) 展,而 是 起 裂 于表層,然后改變方向,最終沿平行于磨削面的淺 表層發(fā)展[２].

某齒輪滲碳淬火 后,對 花 鍵 齒 頂、齒 面、齒 根 進行磨削,花 鍵 齒 頂 采 用 外 圓 磨,齒 面 及 齒 根 采 用成形磨,磨削完成 后 進 行 磁 粉 檢 測 時 發(fā) 現(xiàn) 數(shù) 個 花鍵齒 頂 及 齒 根 有 裂 紋,花 鍵 齒 頂 裂 紋 呈 細 網 狀,齒根裂紋 呈 粗 網 狀,如 圖 １ 所 示,圖 １a)中 裂 紋為常見磨 削 裂 紋,圖 １b)中 裂 紋 即 為 上 述 的 非 常見磨 削 裂 紋. 因 此,筆 者 采 用 化 學 成 分 分 析、 非金屬夾 雜 物 檢 測、金 相 檢 驗 等 方 法,對 該 裂 紋 產生的原因進行了 分 析,并 從 應 力 角 度 對 磨 削 裂 紋進行分類.

１ 理化檢驗

１．１ 化學成分分析

對齒輪未滲碳部位進行化學成分分析,結果見 表１.可見齒輪的化學成分符合 EN１００８４－２００８ «滲碳鋼———交貨技術條件»的要求.

１．２ 非金屬夾雜物檢驗

依據 GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物 含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法»,對該齒輪 沿軸向取樣,對其進行非金屬夾雜物檢驗.可見其 非金屬夾雜物主要為球狀氧化物,夾雜物評級結果 為:A(硫化物類)細０級,B(氧化鋁類)細０級,C(硅 酸鹽類)細０級,D(環(huán)狀氧化物類)細０．５級;滿足 A 類、C類、D類非金屬夾雜物不高于１．５級,B類非金 屬夾雜物不高于１．０級的企業(yè)技術要求.

１．３ 金相檢驗

沿齒頂裂紋處將試樣剖開,以便觀察裂紋縱向 形態(tài),齒頂裂紋縱剖面微觀形貌如圖２所示.可見在齒頂處有深約０．２０mm 的縱深裂紋,裂紋大體垂 直于齒頂向里延伸,裂紋在齒頂表面處開口較大,向 內逐漸變細,尾部沿晶發(fā)展呈尖細狀,如圖３所示. 在齒頂局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有白亮組織,如圖４所示.將 試樣２３０ ℃低溫回火３h后,白亮組織消失,由此可 推斷該白亮組織為磨削二次淬火,二次淬火組織經 回火后轉變成回火馬氏體組織,與基體組織無差異, 故而“消失”.

將齒根裂紋沿平行于齒端平面剖開,觀察齒根 裂紋形貌,如圖５所示,可見裂紋未沿縱深方向擴 展,而是沿淺表層延伸,最深處約１．００mm,裂紋在 表層開口較寬大,末端較尖細且沿晶發(fā)展,在齒根裂 紋附近有白亮組織.

２ 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知,在該齒輪齒頂發(fā)現(xiàn) 有網狀龜裂,表層金相存在白亮組織,經２３０℃低溫 回火后白亮組織消失,可推斷白亮組織為二次淬火 組織;從裂紋形態(tài)來看,齒頂裂紋呈細網狀,深度較 淺,約０．２mm 深,且裂紋從表面向縱深發(fā)展,大致 垂直于齒表面,屬典型網狀龜裂磨削裂紋[３Ｇ４].齒根 發(fā)現(xiàn)少量的白色組織也為二次淬火組織,但與齒頂 典型磨削細網狀龜裂裂紋不同,齒根裂紋呈粗網狀, 通過解剖發(fā)現(xiàn),裂紋并非沿縱深方向發(fā)展,而是改變 方向,最終沿平行于表面的淺表層方向進行擴展,橫 穿齒根裂紋的擴展方向與磨削方向一致,且裂紋較 深達１．０mm.該類裂紋產生的主要原因是磨削齒 輪時進刀量過大,使摩擦應力陡增,摩擦應力與熱應 力共同作用,將材料表面拉裂.

由磨削造成的裂紋統(tǒng)稱為磨削裂紋,按裂紋形 狀可分為網狀、放射狀、蜷曲狀、星點狀[５Ｇ６];按磨削 熱致使工件表面溫度上升,導致表面發(fā)生兩次收縮 而產生裂紋,可把磨削裂紋分為由第一次收縮引起 的第Ⅰ類裂紋和由第二次收縮引起的第Ⅱ類裂紋. 以上分類從裂紋的形態(tài)特征和裂紋產生的原理上對 磨削裂紋進行了分類,從而可以鑒別和預防磨削裂 紋.然而前文中深度較深的磨削裂紋是一種不太常 見的磨削裂紋,為將該類磨削裂紋與常見磨削裂紋 進行區(qū)分,筆者從致使磨削裂紋產生的主導應力角 度,對磨削裂紋進行了分類,將磨削裂紋分為內應力 主導的磨削裂紋和摩擦應力主導的磨削裂紋.從應 力角度來講,零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開裂是由于應 力超過了材料抗力.在磨削加工過程中,在上次進 刀磨削后,零件表面有組織應力、熱應力以及表面的 塑性變形應力,這幾種應力均屬于殘余內應力,再次進刀進行磨削時,表面除受以上殘余內應力外,還受 摩擦應力,進刀量越大,摩擦應力也越大,轉換的熱 能則越多,若冷卻條件不變,熱應力、塑性變形應力 的殘余內應力也越大.殘余內應力與摩擦應力共同 存在,在殘余內應力主導下產生的磨削裂紋向縱深 方向發(fā)展,且深度較淺,一般為０．０２~０．２０ mm,并 且多數(shù)裂紋是在磨削完成后一段時間才產生[７],該 類裂紋筆者將其稱為內應力磨削裂紋;在摩擦應力 主導下產生的磨削裂紋,裂紋從表面起裂,最終朝平 行于表面的淺表層方向擴展,且深度較深,該類裂紋 在磨削當 時 便 產 生,筆 者 將 其 稱 為 摩 擦 應 力 磨 削 裂紋.

３ 結論及建議

(１)該齒輪齒頂、齒根裂紋是因為磨削齒輪時 進刀量過大,使得摩擦應力陡增,該摩擦應力與內應 力的共同作用下,將材料表面拉裂.

(２)從致使磨削裂紋產生的主導應力角度對磨 削裂紋進行了分類,將磨削裂紋分為內應力主導的 磨削裂紋和摩擦應力主導的磨削裂紋,該齒輪齒頂 裂紋屬于內應力主導的磨削裂紋,齒根裂紋屬于摩 擦應力主導的磨削裂紋.

(３)建議在磨削齒輪時減小進刀量,使摩擦應 力降低,防止此類齒輪磨削裂紋的發(fā)生.

參考文獻:

[１] 王明勇．磨削裂紋產生機理和預防措施[J]．機械制造 與自動化,２００３,３２(４):４４Ｇ４５．

[２] 任敬心,華定安．磨削原理[M]．北京:電子工業(yè)出版 社,２０１１．

[３] 高鐵生．磨削裂紋產生的原因與控制[J]．熱處理技術 與裝備,２００７,２８(６):５０Ｇ５５．

[４] 孫勝偉,宋亞虎,劉鐵山,等．２０CrMnMo鋼滲碳齒輪 磨削裂紋成因分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１６, ５２(２):１１７Ｇ１２０．

[５] 余繼唐．磨削裂紋的分類[J]．無損檢測,１９８４,６(１): ２３Ｇ２６．

[６] 朱雙霞,劉瑩,郭紀林,等．常用鋼磨削紋理方向與其 表面摩擦 因 數(shù) 的 關 系 [J]．機 械 工 程 材 料,２００９,３３ (６):３１Ｇ３３．

[７] 陳立光,劉召兵,彭亞超,等．解決磨削裂紋的新思路、 新途徑[J]．精密制造與自動化,２００５(１):６２Ｇ６４．

文章來源——材料與測試網