如何防止渗碳淬火齿轮磨削裂纹的产生

　　摘　要：通过对20CrMnTi热处理过程中的组织变化，表层应力的消除方法、机加工过程中的磨削参数选择、砂轮的选择、磨削液的选择等分析，提出了防止磨削裂纹产生的措施。
　　关键词：磨削裂纹；磨削热；喷丸；磨削条件；磨削量；砂轮组织
　　1　引言
　　重载齿轮的制造关键在于如何提高其承载能力，而采用高精度、硬齿面、齿廓和齿形修形的齿轮是提高齿轮承载能力的有效措施。磨齿是有可能使上述措施同时实现的工艺手段。然而，在磨齿轮工艺中长期存在一个严重问题——裂纹，磨削裂纹是指发生在磨削面上，深度较浅，并且深度基本一致，方向垂直于齿向，即垂直于砂轮往复运动的方向，规则排列的条状裂纹，用肉眼便可观察到。
　　2　裂纹产生的原因及防止其产生的有效措施
　　磨削裂纹产生的根本原因是磨削热。齿轮在渗碳过程中，其渗层组织中容易形成网状碳化物或过多的游离碳化物。由于各物质硬度极高，在磨削过程中，砂轮和齿面接触的瞬间，磨削区的温度很高，可能出现局部过热倾向和发生表面回火，使金相组织发生变化。不同的金相组织比容不同，马氏体比容Z大，奥氏体比容Z小。如磨削淬火钢时，表层出现回火结构，则表层金属比容减小，体积收缩受基部金属阻碍，表层产生残余拉应力。若表层产生二次淬火层，残余奥氏体转变为马氏体，比容增大，体积膨胀受阻，就形成表面压应力，而里层则产生残余拉应力。由于在传统的磨削方式过程中，切削液并不能完全到达磨削区，即冷却并不是很充分，在这种情况下，表面层不会产生二次回火，热塑性变形占主导地位，故磨削后表面产生残余拉应力。而正是这种残余拉应力的存在，引起微裂纹，降低其疲劳强度，大大影响了齿轮的使用性能。为此，应采取措施来控制表面产生残余拉应力或抵消拉应力。
　　我厂在解决20CrMnTi渗碳钢件齿轮磨削裂纹问题中，采用了喷丸强化工艺，喷丸强化工艺是表面加工工艺的一种，是利用大量高速运动的珠丸冲击工件表面，对工件表面进行冷挤压，使之发生冷态塑性变形，产生冷硬层并形成表面残余压应力。由于表面具有残余压应力，将抵消一部分拉应力，从而有效地避免了裂纹的产生。
　　磨削条件也是影响裂纹产生的一个重要因素，从上述分析可知：（1）磨削热导致磨削裂纹的产生，所以解决磨削裂纹的关键在于如何降低磨削热。首先，应选用湿磨法，采用冷却的方法使磨削区温度降低，并且应确保冷却液喷到磨削区，经过多次试验，调节流量为40～45L/min，压力为0. 8～112MPa，就能实现充分冷却，同时冲去粘在砂轮上的切屑。（2）选择合适的磨削量，对降低磨削温度也起到重要作用。磨齿时砂轮的切削速度很高，砂轮与齿轮的接触面积又很小，产生的热量会在接触区域形成很高的温度，热应力增加，所以渗碳淬火齿轮在磨削过程中不宜采用过高的砂轮线速度；磨齿时产生的热量与砂轮单位时间内切除的金属量大致成正比，因此，必要时适当减小磨削深度、降低进给量以避免产生磨齿裂纹。（3）若磨削余量选得过大，会产生过多的磨削热，从而导致磨齿裂纹等多种缺陷的产生，因而应尽可能减小磨齿余量。减小磨齿量可以从以下几方面采取措施：①减小热处理变形；②在加工中应以齿圈找正，以使余量分布均匀；③磨前采用硬质合金滚刀半精滚齿，去除热处理变形。（4）砂轮的选择对磨削温度有重要影响。渗碳钢硬度高，砂粒易磨钝，为了避免砂粒磨钝而产生的磨削热，砂轮硬度软一些，以便磨钝的砂粒及时脱落，保持砂轮的自锐性，同时也应选择组织较软的砂轮，组织较软的砂轮气孔多，可以容纳切屑，避免砂轮堵塞，又可将磨削液或空气带入磨削区域，从而使磨削区域温度降低。
　　在保证面粗糙度要求的前提下，宜选择较粗粒度的砂轮，以达到较高的去除量比率。另外，砂轮的平衡和修整也非常重要，砂轮必须精细地平衡，及时修整，使砂轮工作时处于良好的平衡及锋利状态。
　　3　结语
　　当然，磨削裂纹产生的原因是多方面的，应当从磨削工艺、热处理及零件材质等方面综合考虑，加以控制。以上只是笔者在加工工艺中建议采取的一点措施。
　　参考文献：
　　[1]许洪基,陶燕光,雷光.齿轮手册[M].北京:机械出版社,2000.
　　[2]钱学冕,汤桐业,等.机械制造工艺学[M].福州:福州科学技术出版社,1985.