齿轮磨削裂纹的产生原因及防止措施

齿轮磨削裂纹的产生原因及防止措施
[摘要]分析了磨削裂纹产生的原因，针对此原因，作者从喷丸强化工艺、磨削工艺、材料及热处理等方面进行分析，提出了防止磨削裂纹产生的措施。

[关键词]磨削裂纹；磨削热；磨削工艺；热处理
中图分类号：tg580.6 文献标识码：a 文章编号：1009-914x （2013）09-0019-01
0 引言
随着煤炭工业技术的发展，对煤矿机械中传动齿轮的承载能力、寿命、精度、齿面粗糙度、啮合噪音等方面提出更高的要求，因此越来越多地采用了硬齿面齿轮。

对于重载大功率、高精度要求的齿轮必须有较高的芯部强度和高的表面硬度，因此通常采用渗碳淬火处理的工艺方法来提高齿轮的芯部强度和高的表面硬度，从而提高其承载能力。

齿轮经过渗碳淬火后不可避免地要产生变形，且精度下降2-3级，因此对于高精度的齿轮，热处理后常用磨齿提高其加工精度。

然而，在磨削过程中常产生磨削裂纹，裂纹问题己严重困扰生产的顺利进行，如何消除磨削裂纹是摆在工程技术人员面前的技术难题。

1 磨削裂纹的产生原因
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，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，由于这些物质硬度极高，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，马氏体比容最大，奥氏体比容最小。

如磨削淬火钢时，表层出现回火组织，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。

在传统的磨削方法中，切削液并不能完全达到磨削区，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，而正是由于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。

2 防止磨削裂纹产生的主要措施
2.1 采用喷丸强化工艺
该公司在解决渗碳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。

2.2 磨削工艺方面
2.2.1 降低磨削热
磨削裂纹产生的原因虽然是多方面的，但其根本原因是磨削热，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。

首先；应采用湿磨法，但由于冷却液只能是使工件和砂轮在磨削点瞬时冷却，同时因冷却液对工件的磨削点起淬火作用，当冷却不充分时，事实上是加大了磨削裂纹的产生，因此应改善冷却条件，改进磨削液的配方，加大磨削液的流量，提高磨削液的压力。

经过多次试验，调节流量为
40-45l/min，压力为0.8-1.2mpa，就能实现充分冷却，使冷却液喷到磨削区，使磨削区温度降低，同时还可以冲去粘在砂轮上的切屑。

另外，选择合适的磨削量，对降低磨削温度也起到重要作用，磨齿时砂轮的线速度很高，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，因此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，必要时减小磨削深度、降低进给量也能有效降低磨削热，避免产生磨削裂纹。

2.2.2 选用合适的砂轮
砂轮的选用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，砂轮硬度宜软一些，以便磨钝的砂粒及时脱落，减少砂轮与工件的摩擦力，从而减少磨削时的能量消耗，保持砂轮的自锐性。

同时也应选择组织较松的砂轮，组织较松的砂轮气孔多，可以容纳切屑，避免砂轮堵塞，又可将磨削液或空气带人磨削区域，从而使磨削区域温度降低。

在保证表面粗糙
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，细粒砂轮容易被堵塞，磨削时产生较大的热量，使工件表面层容易出现烧伤及裂纹，砂轮粒度粗一些，冷却条件也可以改善一些，以减少工件的发热量。

2.2.3 严格控制磨削余量
若磨削余量留得过大，在高速磨削中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，在保证能纠正工件变形量的前提下，余量越小越好，一方面可以降低加工成本，更重要的是可以减小出现裂纹可能性，同时还可以保证淬硬层的深度，提高齿轮的承载能力。

2.3 齿轮材料及热处理要求
2.3.1 齿轮材料
（1）齿轮钢渗层硬度及芯部淬透性
足够的渗层表面淬硬性是保证齿轮具有高强度和高耐磨性的基础，它与含碳量有关。

渗碳钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬层深度的能力，主要取决于合金元素的类型和含量。

cr，mo，ni等合金元素配合起来使用，可以获得高淬透性效果。

（2）渗碳齿轮芯部的强度和韧性
适宜的芯部强度和韧性，既可以保证齿轮的整体强度和渗层的抗剥落能力，又可以具有足够的抗冲击能力，防止轮齿的脆裂。

在淬透的情况下，主要取决于钢的含碳量。

（3）钢材的冶金质量
渗碳齿轮钢冶金质量对齿轮强度和工艺性能都有很大的影响，对齿轮芯部性能产生直接影响。

钢材的纯净度是影响渗碳齿轮使用寿命的重要因素。

2.3.2 热处理要求
对渗碳淬火的工件，应严格控制热处理工序。

渗碳时最主要工艺因素是加热温度和保温时间。

加热温度越高，则渗碳速度就越快，且扩散层的厚度越大，但温度过高会引起奥氏体晶粒长大，使材料变脆，故渗碳温度控制在870℃左右；渗碳后较高合金含量的奥氏体在冷却时不容易分解，可通过回火分解一部分，为淬火创造有利条件，所以增加渗碳后高温回火，在680℃保温3h，然后随炉冷却。

由于工件渗碳淬火后的马体组织处于膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力就进行回应力回火，回火可降低磨裂倾向。

渗碳件淬火后在220℃—230℃进行低温回火，使齿面硬度控制在
hrc55～hrc60之间，使其具有良好的机械性能。

3 结束语
虽然磨削热是产生磨削裂纹的根本原因，但裂纹的形成并不是某一因素单独造成的，而是多种因素综合在一起相互加后产生的结果。

实践经验证明，如果我们从磨削工艺、处理及零件材质等方面进行综合考虑，分别加以控制，是可以有效地防止磨削裂纹产生的。