钢材热处理之: 齿轮磨削裂纹产生原因排查
我公司是生产高端减速机的专业厂家，用R800 HOFLER磨齿机磨齿时出现大批量的齿面磨削裂纹。磨削裂纹分布在不同模数、不同齿数的齿轮上，大小齿轮共计41件，给公司造成了一定的经济损失。
本文从失效的齿轮上出现的裂纹形态和位置上分析，通过对齿轮热处理加工工艺、磨齿参数、磨齿冷却液及偏磨上展开调查研究，从而制定了有效的改进措施，实现了防止质量事故再发生的目的。
1、从热处理上查找原因
（1）热处理用井式炉渗碳、缓冷、二次加热淬火、回火的齿轮
在R800 HOFLER磨齿机上，对井式炉处理的模数为5mm、齿数为68的齿轮，进行磨削，发现有2个齿轮，在其相邻4或5个齿的右齿面出现网状裂纹，齿轮其他部位没有裂纹。裂纹形态如图1所示。
（a）
（b）
图1 右齿面网状裂纹
（2）热处理用箱式多用炉一次性加热渗碳、淬火、回火的齿轮
对多用炉处理的齿轮进行磨削，发现齿轮的相邻几个齿的右齿面大量网状磨削裂纹（见图2），齿轮的其他部位没有裂纹。
井式炉和箱式炉，两种不同的热处理设备、不同的热处理方式，但出现裂纹的情况一样。检验失效齿轮齿顶硬度：井式炉处理的齿轮为59.5HRC、60.0HRC、60.5HRC；箱式炉处理的齿轮为59.2HRC、59.8HRC。技术要求为59～62HRC，实测齿轮硬度满足技术要求。
（a） 
（b）
图2 右齿面网状裂纹
（3）热处理由一次回火改为二次回火
为了降低热处理应力对齿轮磨削的影响，将热处理一次回火改为两次回火。试验后发现，两次回火的齿轮也有磨削裂纹。此改善对控制磨削裂纹的产生没有起到明显作用。
（4）对齿面出现裂纹的齿轮，从热处理组织上做微观检测
对出现裂纹的齿轮，在有裂纹的齿上取样，检查渗层深度和金相组织。试样检测结果如下：
左齿面：残留奥氏体20%～25%，回火马氏体，碳化物为1级。金相组织合格（见图3a）。
右齿面：回火马氏体，碳化物为1级（见图3b）。
左齿面有效硬化层深为1.619mm（见图4a）。
右齿面有效硬化层深为1.601mm，齿面有烧伤(硬度法检测时,从齿面到齿的心部0.4mm的距离，维氏硬度值上能反映出来，明显低于左齿面相应位置硬度（见图4b）。
左齿面0.4mm处，硬度57.5HRC正常。
右齿面0.4mm处，硬度54HRC，右齿面磨齿烧伤导致硬度降低3.5HRC。
（a）左齿面组织
（b）右齿面组织
图 3
（a）
（b）
图4 左右齿面有效硬化层深度的显微硬度测定数据
从上述排查结果可见，虽然轮齿左右两齿面的渗层深度几乎一样，但由于右齿面严重烧伤，烧伤后金相组织也发生了转变，使得离表面到0.4mm处的维氏硬度低于左齿面相应位置的硬度。
2、改善磨齿工艺参数和磨齿条件
磨齿工艺参数和磨齿条件对磨削裂纹的发生很有关系。以下是对R800 HOFLER和H700 HOFLER磨齿机改变磨齿参数和磨齿条件的过程和结果。摘自《金属加工（热加工）》杂志
（1）R800 HOFLER磨齿机磨削
改变喷油嘴位置，将油嘴位置更加靠近工件（见图5），使两个油嘴与砂轮距离更加平均。
图5 油嘴位置更加靠近工件
调整重叠率，使砂轮表面稍微粗糙些，在磨削过程中带走一些热量。增加砂轮修整次数（粗磨7齿修整一次,精磨10齿修整一次），使砂轮表面更加锐利。增加冲程次数（相同模数齿轮冲程次数10～12增加至14～16），使其磨削过程中减少磨削热量。
通过以上4点改变，均无效果，磨两件裂一件。针对以上情况，再次调整，改到H700 HOFLER磨齿机上磨齿。
（2）H700 HOFLER磨齿机磨削
磨削参数与R800 HOFLER磨削基本相同，在冷却方式略有不同的情况下磨削5件齿轮，经检验未出现裂纹，表明R800 HOFLER磨齿机的磨削工艺和磨削条件有问题。
（3）再次调整R800 HOFLER磨齿机
由于无新鼓轮可供使用，将R800 HOFLER金刚鼓轮左右调换。为了使切削油中杂质充分过滤，更换过滤器的滤网。加长喷油嘴长度（见图6），使油嘴更接近砂轮与齿轮磨削时结合部位，使冷却更充分。
（a）第一次调整
（b）第二次调整
图6 加长喷油嘴长度
以上的调整取得一定的效果：磨削6件，经检验只有1件出现磨削裂纹，其他未出现裂纹。磨齿参数改变后对防止磨削裂纹的出现有明显的效果。
更换磨齿机的鼓轮，新鼓轮要求所有的磨齿参数都恢复到原始规定参数，见表1。
表1 R800 HOFLER磨齿机冲程参数
项目 | 进刀量/mm | 进给速度(粗精磨) /mm·min-1 | 重叠率(粗精磨) |
数值 | 0.03 | 3000\2500 | 6\4(2.5) |
改善磨齿参数后，磨削12件，经检验只有1件出现磨削裂纹，其他未出现裂纹。磨齿参数的改变对控制磨削裂纹的产生效果越来越好。
（4）继续改善磨齿条件
整体清理更换R800 HOFLER磨削油，换回最初的油嘴并加长。，改变R800 HOFLER磨齿机冲程，提高磨削速度，参数明细见表2。要求磨前注意找正，防止偏磨。
表2 改变R800 HOFLER磨齿机冲程参数明细
走刀 | 进刀量 /mm | 进给速度 /mm·min-1 | Vw/ mm3·mm-1 | Qw/ mm3·(mms) -1 | 冲程 次数 | |
1(粗磨) | 0.03 | 6000 | 600 | ≤8 | 12 | 16 |
2(半精磨) | 0.02 | 3500 | 400 | ≤4 | 1 | |
2(半精磨) | 0.02 | 3000 | 1 | |||
3(选择区域磨) | 0.015 | 2500 | ≤150 | ≤2 | 1 | |
3(选择区域磨) | 0.01 | 2200 | 1 | |||
更换冷却油和杜绝齿轮偏磨后，磨削22件齿轮，磨削正常，没有发现磨削裂纹，达到了改善目的。
3、分析与讨论
（1）从裂纹的形态上分析
齿面裂纹为网状裂纹并且出现裂纹的齿面有严重的烧伤，证明齿面的裂纹是磨削后产生的，为磨削裂纹。有烧伤表明磨削时冷却能力差，改善磨齿参数后，效果越来越好，最后改善冷却油后，磨削裂纹彻底没有了。
（2）从裂纹的位置上分析
裂纹总是集中在连续几个齿的右齿面，表明热处理造成齿轮局部齿变形大，当磨这几个齿时，磨削量就大，采用正常冷却条件就不能满足冷却能力的要求，从而导致出现齿面烧伤和磨削裂纹。
4、结语
（1）齿面产生磨削裂纹是因为磨齿时冷却能力不足和磨削量不均匀（热处理变形过大）所致。因此，齿轮热处理时要注意工件的摆放，尽量减小齿轮的热处理变形。
（2）齿轮磨削前的对刀要非常仔细，要尽可能做到轮齿两个齿面的磨削量均匀。
（3）冷却油长期使用，其油性和清洁度将发生改变，因此应该定期更换冷却油。
作者：薄文丽
单位：沃德（天津）传动有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
相关文章: 风电齿轮淬火完成后，磨削中出现了烧伤与裂纹是什么原因?
(本平台"常州精密钢管博客网"的部分图文来自网络转载，转载目的在于传递更多技术信息。我们尊重原创，版权归原作者所有，若未能找到作者和出处望请谅解，敬请联系主编微信号：steel_tube，进行删除或付稿费，多谢!)