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钢材热处理之: 齿轮磨削裂纹产生原因排查

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?

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