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
項目 | 進刀量/mm | 進給速度(粗精磨) /mm·min-1 | 重疊率(粗精磨) |
數值 | 0.03 | 3000\2500 | 6\4(2.5) |
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
走刀 | 進刀量 /mm | 進給速度 /mm·min-1 | Vw/ mm3·mm-1 | Qw/ mm3·(mms) -1 | 沖程 次數 | |
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(選擇區域磨) | 0.015 | 2500 | ≤150 | ≤2 | 1 | |
3(選擇區域磨) | 0.01 | 2200 | 1 | |||
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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來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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