摘 要:某齒輪磨削后表面產(chǎn)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(xué)成分分析、非金屬夾雜物檢驗、金相檢驗等方法對裂紋產(chǎn)生的原因 進行了分析,并從應(yīng)力角度對磨削裂紋進行了分類.結(jié)果表明:磨削齒輪時進刀量過大使得摩擦應(yīng) 力陡增,在該摩擦應(yīng)力與熱應(yīng)力的共同作用下材料表面被拉裂,導(dǎo)致該齒輪齒頂、齒根產(chǎn)生裂紋;從 致使磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削 裂紋,該齒輪齒頂裂紋屬于內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋,齒根裂紋屬于摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋. 

關(guān)鍵詞:磨削裂紋;摩擦應(yīng)力;殘余內(nèi)應(yīng)力;進刀量 

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

磨 削 裂 紋 是 碳 素 鋼 和 滲 碳 鋼 經(jīng) 熱 處 理 淬 火 后,在磨削時比較常見的加工質(zhì)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(wǎng) 狀,齒根裂紋 呈 粗 網(wǎng) 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(xué) 成 分 分 析、 非金屬夾 雜 物 檢 測、金 相 檢 驗 等 方 法,對 該 裂 紋 產(chǎn)生的原因進行了 分 析,并 從 應(yīng) 力 角 度 對 磨 削 裂 紋進行分類. 

１ 理化檢驗 

１．１ 化學(xué)成分分析 

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

１．２ 非金屬夾雜物檢驗 

依據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物 含量的測定———標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(shù)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(nèi)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(jīng) 回火后轉(zhuǎn)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(jié)果可知,在該齒輪齒頂發(fā)現(xiàn) 有網(wǎng)狀龜裂,表層金相存在白亮組織,經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)狀龜裂裂紋不同,齒根裂紋呈粗網(wǎng)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(chǎn)生的主要原因是磨削齒 輪時進刀量過大,使摩擦應(yīng)力陡增,摩擦應(yīng)力與熱應(yīng) 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(wǎng)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(dǎo)致表面發(fā)生兩次收縮 而產(chǎn)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(chǎn)生的原理上對 磨削裂紋進行了分類,從而可以鑒別和預(yù)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(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角 度,對磨削裂紋進行了分類,將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力 主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋.從應(yīng) 力角度來講,零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開裂是由于應(yīng) 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(yīng)力、熱應(yīng)力以及表面的 塑性變形應(yīng)力,這幾種應(yīng)力均屬于殘余內(nèi)應(yīng)力,再次進刀進行磨削時,表面除受以上殘余內(nèi)應(yīng)力外,還受 摩擦應(yīng)力,進刀量越大,摩擦應(yīng)力也越大,轉(zhuǎn)換的熱 能則越多,若冷卻條件不變,熱應(yīng)力、塑性變形應(yīng)力 的殘余內(nèi)應(yīng)力也越大.殘余內(nèi)應(yīng)力與摩擦應(yīng)力共同 存在,在殘余內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)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(chǎn)生[７],該 類裂紋筆者將其稱為內(nèi)應(yīng)力磨削裂紋;在摩擦應(yīng)力 主導(dǎo)下產(chǎn)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(dāng) 時 便 產(chǎn) 生,筆 者 將 其 稱 為 摩 擦 應(yīng) 力 磨 削 裂紋.

３ 結(jié)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(yīng)力陡增,該摩擦應(yīng)力與內(nèi)應(yīng) 力的共同作用下,將材料表面拉裂. 

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

(３)建議在磨削齒輪時減小進刀量,使摩擦應(yīng) 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(chǎn)生機理和預(yù)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(chǎn)生的原因與控制[J]．熱處理技術(shù) 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(guān) 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(wǎng)