磨削烧伤裂纹的产生及控制

卢佳

摘 要：文章简述了磨齿的原理和方法，主要研究磨削裂纹的形态及产生裂纹的原因，及提出提高含碳量从标准的0.8%～0.9%提高到1%～2%。并从热处理和冷加工方面，如工艺参数、冷却介质、工作环境，磨具等方面提出一系列防止磨齿裂纹的措施。

关键词：磨削烧伤；裂纹；塑性变形；磨削余量；磨削用量

磨齿是齿轮精加工的一种方法，磨齿不仅能纠正齿轮预加工产生的各项误差，而且能加工淬硬的齿轮，加工精度高。

1 磨齿的原理和方法

锥砂轮磨齿原理。在这里我们提到的都是指外齿轮，锥砂轮磨齿是按照齿轮和齿条的啮合原理进行的。砂轮相当于假象齿条上的一个齿，齿轮的节圆沿齿条的节线作纯滚动。被磨齿轮装在头架的主轴上，沿节线一面作横向往复移动，一面通过传动机构使被磨齿轮随主轴绕自身轴线作反复转动，被磨齿轮的移动和转动必须保持一定的相对关系，齿轮旋转一转，其移动距离应等于被磨齿轮节圆的圆周长，这样就可以磨出要求的渐开线齿形。

在磨斜齿轮时，砂轮和齿轮的相对运动相当于斜齿条的啮合原理进行的。斜齿条的倾斜角等于斜齿轮的螺旋角，砂轮往复运动的斜线和齿轮轴线之间的夹角也应等于这一倾斜角；砂轮锥面的角度应等于斜齿条的法向齿形角。磨完一个齿槽后，应进行分度磨下一个齿槽，工件的分度运动是当工件从一端展成到另一端时，进行一次分度，也可以进行双行程分度，即当工件展成一个往复后，进行一次分度。为了磨出齿轮整个宽度上的齿面，砂轮还必须沿齿轮轴向进行往复运动。

2 磨齿烧伤裂纹的产生

我们公司使用从德国引进的数控磨齿机，这种磨齿机的生产效率低于其他磨齿机，可以同时磨削轮齿的两面，砂轮刚性好，磨削用量也较大，所以难免产生磨削烧伤、裂纹。这两种常见现象均属于磨齿工序的表面质量问题，它是由齿轮的材料、热处理的方式和磨削三个方面的原因所产生的现象。从表面上看这一问题与生产效率相矛盾，然而没有质量就没有效益，这是我们都清楚的，众所周知的。所以它是对应统一的关系。

磨齿过程中，裂纹主要是金属晶体产生塑性变形。主要是由滑移和孪生两种，由于磨削时的温度相当高，所以磨削点处的表面金属组织产生相变，相变引起体积发生变化，当体积缩小时金属表面被下面的相变的金属材料牵制产生残余应力。加之冷却液的急剧冷却，使之达到一定极限便产生裂纹。它主要是沿齿形方向呈条状或网状，一般垂直于磨削方向，磨削裂纹的深度有两种，一般只有0.05%～0.10%mm和0.1%～1.0%mm两种，前者与磨削工艺和操作有关，后者与材料，热处理等其他方面有关，经磨削而诱发出来的，先主要研究热处理和冷加工中产生的烧伤裂纹的原因。

（1）晶粒大小、工作环境、固溶度多磨裂的影响

由公式 （配奇霍尔关系式）可知晶粒尺寸d越小，单体体积内晶界面积越高，凡碳化物粗大呈瓜状、块状、网状的容易产生磨齿裂纹，凡淬火马氏体针粗大残余奥氏体量大于30%的容易产生磨削裂纹，凡碳化层表面含碳，硬度低、有屈体、内氧化黑网的容易产生裂纹而碳化物颗粒细，马氏体针细，残余奥氏体量少的炉次均不出现磨齿裂纹如：20CrMnMo、20CrNi2MoA等，由于热处理工艺等原因又是造成碳化物呈爪状或角状等易产生磨齿裂纹，另外由实际经验可知，如杭钢减速器所有齿轮，齿轴都在渗碳淬火之前加球化退火，细化晶粒，使材料中碳化物爪状和角状另球状，减少裂纹源在生产中产生良好效果，磨削裂纹大大减少。

（2） ，f溶质原子百分数，a为母相的点阵常数，b为相氏天量的模量。式中可溶质原子的百分数越大，母相的晶格畸变越大造成应？滓场与位错运动的阻力，提高金属材料的强度，就难以产生裂纹。

（3）工作环境的好坏也将影响磨削裂纹，由于过渡中的体心立方金属都具有低温脆性，因此温度越高时较多的位错线在不足从摆脱它的应力被激活而脱错。并使晶体发生较均匀的热变形，而在温度低时，只有少数。错源开动，并且由于应力大，甚至可以达到生产裂纹所需的能量，形成裂纹核心，并在应力作用下迅速扩展而导致脆裂。

3 控制磨削裂纹的几个措施

3.1 从热处理方面控制，提高渗碳层表面碳浓度

众所周知，当碳原子渗入使机体晶格点阵产生强烈畸变，碳原子又能形成核气团，阻止错位和晶体滑移，所以碳原子渗入越多，晶体畸变越大，对提高材料的屈服强度越明显。因此我们将原来渗碳表面浓度0.8%～0.9%提高到1.0%～1.2%并使20CrMnMoA材料中的Cr、Mu、Mo各合金元素又形成合金碳化物阻止奥氏体晶体长大。经淬火回火后大都呈隐状的产生。

3.2 从磨削参数的选择方面

根据减速器中的齿轮的性质，被磨齿轮的硬度要求，先选择磨削工艺参数如下：磨削深度：粗磨时应采用的磨削深度除不应产生烧伤裂纹外，粗磨时形成表面破坏层深度要在精磨余量范围之内，具体如下：

当模数m<6时，粗磨取：0.04～0.05mm，精磨时取0.05～0.01mm。

当模数m=6～8时，粗磨取：0.04～0.06mm，精磨时取0.05～0.015mm。

当模数8

当模数m>20时粗磨取：0.07～0.09mm，精磨时取0.015～0.025mm。

另外所有齿轮最后一次磨削必须进行无火花磨削。

3.3 磨削余量的选择

磨削余量的大小对磨削时产生烧伤，裂纹有一定的影响，磨削余量大，磨削时产生你的热量大，易产生裂纹，磨削量小，热处理变形等其它因素使磨量必须减少磨削余量。

3.4 磨削用砂轮的选择

由于齿轮的硬度较高，表面粗糙度要求较高，因此选用砂轮硬度应越软，粒度应越细，砂轮容易冷却不易推塞，这样可以减少摩擦发热，减少烧伤和裂纹。

3.5 冷却液的选择

由于在磨削过程中冷却介质起到很重要的作用，既要冷却又要润滑，在选择过程中粘度要有但不能过粘。

3.6 工作环境

工作环境要尽量恒温，不能有较大的震动及灰尘。通过以上几种方法可以有效避免磨削烧伤裂纹，提高了公司产品的外观质量，合理选择磨齿参数大大地提高了工件的磨削效率。

参考文献

[1]王先逵.机械加工工艺手册[M].（第2版）机械工业出版社，2006.

[2]郑光虎.精密切削与光整加工技术[M].国防工业出版社，2007.

[3]任杏华.齿轮工艺学[M].科学普及出版社，1985.