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(yàn)、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因 進(jìn)行了分析,并從應(yīng)力角度對(duì)磨削裂紋進(jìn)行了分類(lèi).結(jié)果表明:磨削齒輪時(shí)進(jìn)刀量過(guò)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(jìn)刀量

中圖分類(lèi)號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(shí)比較常見(jiàn)的加工質(zhì)量問(wèn)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(duì) 花 鍵 齒 頂、齒 面、齒 根 進(jìn)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(jìn) 行 磁 粉 檢 測(cè) 時(shí) 發(fā) 現(xiàn) 數(shù) 個(gè) 花鍵齒 頂 及 齒 根 有 裂 紋,花 鍵 齒 頂 裂 紋 呈 細(xì) 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(jiàn)磨 削 裂 紋,圖 １b)中 裂 紋 即 為 上 述 的 非 常見(jiàn)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(cè)、金 相 檢 驗(yàn) 等 方 法,對(duì) 該 裂 紋 產(chǎn)生的原因進(jìn)行了 分 析,并 從 應(yīng) 力 角 度 對(duì) 磨 削 裂 紋進(jìn)行分類(lèi).

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 化學(xué)成分分析

對(duì)齒輪未滲碳部位進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn) 表１.可見(jiàn)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(yàn)

依據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物 含量的測(cè)定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法»,對(duì)該齒輪 沿軸向取樣,對(duì)其進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn).可見(jiàn)其 非金屬夾雜物主要為球狀氧化物,夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果 為:A(硫化物類(lèi))細(xì)０級(jí),B(氧化鋁類(lèi))細(xì)０級(jí),C(硅 酸鹽類(lèi))細(xì)０級(jí),D(環(huán)狀氧化物類(lèi))細(xì)０．５級(jí);滿(mǎn)足 A 類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)非金屬夾雜物不高于１．５級(jí),B類(lèi)非金 屬夾雜物不高于１．０級(jí)的企業(yè)技術(shù)要求.

１．３ 金相檢驗(yàn)

沿齒頂裂紋處將試樣剖開(kāi),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(jiàn)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(kāi)口較大,向 內(nèi)逐漸變細(xì),尾部沿晶發(fā)展呈尖細(xì)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(wú)差異, 故而“消失”.

將齒根裂紋沿平行于齒端平面剖開(kāi),觀察齒根 裂紋形貌,如圖５所示,可見(jiàn)裂紋未沿縱深方向擴(kuò) 展,而是沿淺表層延伸,最深處約１．００mm,裂紋在 表層開(kāi)口較寬大,末端較尖細(xì)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(yàn)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(lái)看,齒頂裂紋呈細(xì)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(xì)網(wǎng)狀龜裂裂紋不同,齒根裂紋呈粗網(wǎng)狀, 通過(guò)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(jìn)行擴(kuò)展,橫 穿齒根裂紋的擴(kuò)展方向與磨削方向一致,且裂紋較 深達(dá)１．０mm.該類(lèi)裂紋產(chǎn)生的主要原因是磨削齒 輪時(shí)進(jìn)刀量過(guò)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(chēng)為磨削裂紋,按裂紋形 狀可分為網(wǎng)狀、放射狀、蜷曲狀、星點(diǎn)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(lèi)裂紋和由第二次收縮引起的第Ⅱ類(lèi)裂紋. 以上分類(lèi)從裂紋的形態(tài)特征和裂紋產(chǎn)生的原理上對(duì) 磨削裂紋進(jìn)行了分類(lèi),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(jiàn)的磨削裂紋,為將該類(lèi)磨削裂紋與常見(jiàn)磨削裂紋 進(jìn)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(duì)磨削裂紋進(jìn)行了分類(lèi),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(lái)講,零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開(kāi)裂是由于應(yīng) 力超過(guò)了材料抗力.在磨削加工過(guò)程中,在上次進(jìn) 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(jìn)刀進(jìn)行磨削時(shí),表面除受以上殘余內(nèi)應(yīng)力外,還受 摩擦應(yīng)力,進(jìn)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(shí)間才產(chǎn)生[７],該 類(lèi)裂紋筆者將其稱(chēng)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(kuò)展,且深度較深,該類(lèi)裂紋 在磨削當(dāng) 時(shí) 便 產(chǎn) 生,筆 者 將 其 稱(chēng) 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?yàn)槟ハ鼾X輪時(shí) 進(jìn)刀量過(guò)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(duì)磨 削裂紋進(jìn)行了分類(lèi),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(shí)減小進(jìn)刀量,使摩擦應(yīng) 力降低,防止此類(lèi)齒輪磨削裂紋的發(fā)生.

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文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)