鋼材熱處理之: 齒輪磨削裂紋產生原因排查 

我公司是生產高端減速機的專業廠家,用R800 HOFLER磨齒機磨齒時出現大批量的齒面磨削裂紋。磨削裂紋分布在不同模數、不同齒數的齒輪上,大小齒輪共計41件,給公司造成了一定的經濟損失。 

本文從失效的齒輪上出現的裂紋形態和位置上分析,通過對齒輪熱處理加工工藝、磨齒參數、磨齒冷卻液及偏磨上展開調查研究,從而制定了有效的改進措施,實現了防止質量事故再發生的目的。

1、從熱處理上查找原因

(1)熱處理用井式爐滲碳、緩冷、二次加熱淬火、回火的齒輪

在R800 HOFLER磨齒機上,對井式爐處理的模數為5mm、齒數為68的齒輪,進行磨削,發現有2個齒輪,在其相鄰4或5個齒的右齒面出現網狀裂紋,齒輪其他部位沒有裂紋。裂紋形態如圖1所示。

(a)

 (b)

圖1  右齒面網狀裂紋

(2)熱處理用箱式多用爐一次性加熱滲碳、淬火、回火的齒輪

對多用爐處理的齒輪進行磨削,發現齒輪的相鄰幾個齒的右齒面大量網狀磨削裂紋(見圖2),齒輪的其他部位沒有裂紋。

井式爐和箱式爐,兩種不同的熱處理設備、不同的熱處理方式,但出現裂紋的情況一樣。檢驗失效齒輪齒頂硬度:井式爐處理的齒輪為59.5HRC、60.0HRC、60.5HRC;箱式爐處理的齒輪為59.2HRC、59.8HRC。技術要求為59～62HRC,實測齒輪硬度滿足技術要求。

(a)

(b)

圖2  右齒面網狀裂紋

(3)熱處理由一次回火改為二次回火

為了降低熱處理應力對齒輪磨削的影響,將熱處理一次回火改為兩次回火。試驗后發現,兩次回火的齒輪也有磨削裂紋。此改善對控制磨削裂紋的產生沒有起到明顯作用。

(4)對齒面出現裂紋的齒輪,從熱處理組織上做微觀檢測

對出現裂紋的齒輪,在有裂紋的齒上取樣,檢查滲層深度和金相組織。試樣檢測結果如下:   

左齒面:殘留奧氏體20%～25%,回火馬氏體,碳化物為1級。金相組織合格(見圖3a)。

右齒面:回火馬氏體,碳化物為1級(見圖3b)。

左齒面有效硬化層深為1.619mm(見圖4a)。

右齒面有效硬化層深為1.601mm,齒面有燒傷(硬度法檢測時,從齒面到齒的心部0.4mm的距離,維氏硬度值上能反映出來,明顯低于左齒面相應位置硬度(見圖4b)。

左齒面0.4mm處,硬度57.5HRC正常。

右齒面0.4mm處,硬度54HRC,右齒面磨齒燒傷導致硬度降低3.5HRC。

(a)左齒面組織

(b)右齒面組織

圖  3

(a)

(b)

圖4  左右齒面有效硬化層深度的顯微硬度測定數據

從上述排查結果可見,雖然輪齒左右兩齒面的滲層深度幾乎一樣,但由于右齒面嚴重燒傷,燒傷后金相組織也發生了轉變,使得離表面到0.4mm處的維氏硬度低于左齒面相應位置的硬度。    

2、改善磨齒工藝參數和磨齒條件

磨齒工藝參數和磨齒條件對磨削裂紋的發生很有關系。以下是對R800 HOFLER和H700 HOFLER磨齒機改變磨齒參數和磨齒條件的過程和結果。摘自《金屬加工(熱加工)》雜志

(1)R800 HOFLER磨齒機磨削

改變噴油嘴位置,將油嘴位置更加靠近工件(見圖5),使兩個油嘴與砂輪距離更加平均。

圖5  油嘴位置更加靠近工件

調整重疊率,使砂輪表面稍微粗糙些,在磨削過程中帶走一些熱量。增加砂輪修整次數(粗磨7齒修整一次,精磨10齒修整一次),使砂輪表面更加銳利。增加沖程次數(相同模數齒輪沖程次數10～12增加至14～16),使其磨削過程中減少磨削熱量。

通過以上4點改變,均無效果,磨兩件裂一件。針對以上情況,再次調整,改到H700 HOFLER磨齒機上磨齒。

(2)H700 HOFLER磨齒機磨削

磨削參數與R800 HOFLER磨削基本相同,在冷卻方式略有不同的情況下磨削5件齒輪,經檢驗未出現裂紋,表明R800 HOFLER磨齒機的磨削工藝和磨削條件有問題。

(3)再次調整R800 HOFLER磨齒機

由于無新鼓輪可供使用,將R800 HOFLER金剛鼓輪左右調換。為了使切削油中雜質充分過濾,更換過濾器的濾網。加長噴油嘴長度(見圖6),使油嘴更接近砂輪與齒輪磨削時結合部位,使冷卻更充分。

(a)第一次調整

 (b)第二次調整

圖6  加長噴油嘴長度

以上的調整取得一定的效果:磨削6件,經檢驗只有1件出現磨削裂紋,其他未出現裂紋。磨齒參數改變后對防止磨削裂紋的出現有明顯的效果。

更換磨齒機的鼓輪,新鼓輪要求所有的磨齒參數都恢復到原始規定參數,見表1。

表1 R800 HOFLER磨齒機沖程參數

改善磨齒參數后,磨削12件,經檢驗只有1件出現磨削裂紋,其他未出現裂紋。磨齒參數的改變對控制磨削裂紋的產生效果越來越好。

(4)繼續改善磨齒條件

整體清理更換R800 HOFLER磨削油,換回最初的油嘴并加長。,改變R800 HOFLER磨齒機沖程,提高磨削速度,參數明細見表2。要求磨前注意找正,防止偏磨。

表2 改變R800 HOFLER磨齒機沖程參數明細

更換冷卻油和杜絕齒輪偏磨后,磨削22件齒輪,磨削正常,沒有發現磨削裂紋,達到了改善目的。

3、分析與討論

(1)從裂紋的形態上分析

齒面裂紋為網狀裂紋并且出現裂紋的齒面有嚴重的燒傷,證明齒面的裂紋是磨削后產生的,為磨削裂紋。有燒傷表明磨削時冷卻能力差,改善磨齒參數后,效果越來越好,最后改善冷卻油后,磨削裂紋徹底沒有了。

(2)從裂紋的位置上分析

裂紋總是集中在連續幾個齒的右齒面,表明熱處理造成齒輪局部齒變形大,當磨這幾個齒時,磨削量就大,采用正常冷卻條件就不能滿足冷卻能力的要求,從而導致出現齒面燒傷和磨削裂紋。

4、結語

(1)齒面產生磨削裂紋是因為磨齒時冷卻能力不足和磨削量不均勻(熱處理變形過大)所致。因此,齒輪熱處理時要注意工件的擺放,盡量減小齒輪的熱處理變形。

(2)齒輪磨削前的對刀要非常仔細,要盡可能做到輪齒兩個齒面的磨削量均勻。

(3)冷卻油長期使用,其油性和清潔度將發生改變,因此應該定期更換冷卻油。

作者:薄文麗

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