曹 云,王 濤,晁永強

(重慶齒輪箱有限責任公司,重慶 ４０２２６３)

摘 要:某齒輪磨削后表面產生了裂紋,其中齒頂裂紋為常規的磨削裂紋,而齒根裂紋為縱深較大的非常規磨削裂紋,采用化學成分分析、非金屬夾雜物檢驗、金相檢驗等方法對裂紋產生的原因進行了分析,并從應力角度對磨削裂紋進行了分類.結果表明:磨削齒輪時進刀量過大使得摩擦應力陡增,在該摩擦應力與熱應力的共同作用下材料表面被拉裂,導致該齒輪齒頂、齒根產生裂紋;從致使磨削裂紋產生的主導應力角度將磨削裂紋分為內應力主導的磨削裂紋和摩擦應力主導的磨削裂紋,該齒輪齒頂裂紋屬于內應力主導的磨削裂紋,齒根裂紋屬于摩擦應力主導的磨削裂紋.

關鍵詞:磨削裂紋;摩擦應力;殘余內應力;進刀量

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５２６Ｇ０３

１ 理化檢驗

１．１ 化學成分分析

對齒輪未滲碳部位進行化學成分分析,結果見表１.可見齒輪的化學成分符合 EN１００８４－２００８

«滲碳鋼———交貨技術條件»的要求.

１．２ 非金屬夾雜物檢驗

依據 GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法»,對該齒輪沿軸向取樣,對其進行非金屬夾雜物檢驗.可見其非金屬夾雜物主要為球狀氧化物,夾雜物評級結為:A(硫化物類)細０級,B(氧化鋁類)細０級,C(硅酸鹽類)細０級,D(環狀氧化物類)細０．５級;滿足 A類、C類、D類非金屬夾雜物不高于１．５級,B類非金屬夾雜物不高于１．０級的企業技術要求.

１．３ 金相檢驗

沿齒頂裂紋處將試樣剖開,以便觀察裂紋縱向形態,齒頂裂紋縱剖面微觀形貌如圖２所示.可見在齒頂處有深約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口較大,向內逐漸變細,尾部沿晶發展呈尖細狀,如圖３所示.在齒頂局部區域發現有白亮組織,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,二次淬火組織經回火后轉變成回火馬氏體組織,與基體組織無差異,故而“消失”.

將齒根裂紋沿平行于齒端平面剖開,觀察齒根裂紋形貌,如圖５所示,可見裂紋未沿縱深方向擴展,而是沿淺表層延伸,最深處約１．００mm,裂紋在表層開口較寬大,末端較尖細且沿晶發展,在齒根裂紋附近有白亮組織.

２ 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知,在該齒輪齒頂發現有網狀龜裂,表層金相存在白亮組織,經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;從裂紋形態來看,齒頂裂紋呈細網狀,深度較淺,約０．２mm 深,且裂紋從表面向縱深發展,大致垂直于齒表面,屬典型網狀龜裂磨削裂紋[３Ｇ４].齒根發現少量的白色組織也為二次淬火組織,但與齒頂典型磨削細網狀龜裂裂紋不同,齒根裂紋呈粗網狀,通過解剖發現,裂紋并非沿縱深方向發展,而是改變方向,最終沿平行于表面的淺表層方向進行擴展,橫穿齒根裂紋的擴展方向與磨削方向一致,且裂紋較深達１．０mm.該類裂紋產生的主要原因是磨削齒輪時進刀量過大,使摩擦應力陡增,摩擦應力與熱應力共同作用,將材料表面拉裂.

由磨削造成的裂紋統稱為磨削裂紋,按裂紋形狀可分為網狀、放射狀、蜷曲狀、星點狀[５Ｇ６];按磨削熱致使工件表面溫度上升,導致表面發生兩次收縮而產生裂紋,可把磨削裂紋分為由第一次收縮引起的第Ⅰ類裂紋和由第二次收縮引起的第Ⅱ類裂紋.以上分類從裂紋的形態特征和裂紋產生的原理上對磨削裂紋進行了分類,從而可以鑒別和預防磨削裂紋.然而前文中深度較深的磨削裂紋是一種不太常見的磨削裂紋,為將該類磨削裂紋與常見磨削裂紋進行區分,筆者從致使磨削裂紋產生的主導應力角度,對磨削裂紋進行了分類,將磨削裂紋分為內應力主導的磨削裂紋和摩擦應力主導的磨削裂紋.從應力角度來講,零件出現裂紋或者發生開裂是由于應力超過了材料抗力.在磨削加工過程中,在上次進刀磨削后,零件表面有組織應力、熱應力以及表面的塑性變形應力,這幾種應力均屬于殘余內應力,再次進刀進行磨削時,表面除受以上殘余內應力外,還受摩擦應力,進刀量越大,摩擦應力也越大,轉換的熱能則越多,若冷卻條件不變,熱應力、塑性變形應力的殘余內應力也越大.殘余內應力與摩擦應力共同存在,在殘余內應力主導下產生的磨削裂紋向縱深方向發展,且深度較淺,一般為０．０２~０．２０ mm,并且多數裂紋是在磨削完成后一段時間才產生[７],該類裂紋筆者將其稱為內應力磨削裂紋;在摩擦應力主導下產生的磨削裂紋,裂紋從表面起裂,最終朝平行于表面的淺表層方向擴展,且深度較深,該類裂紋在磨削當 時 便 產 生,筆 者 將 其 稱 為 摩 擦 應 力 磨 削裂紋.

３ 結論及建議

(１)該齒輪齒頂、齒根裂紋是因為磨削齒輪時進刀量過大,使得摩擦應力陡增,該摩擦應力與內應

力的共同作用下,將材料表面拉裂.

(２)從致使磨削裂紋產生的主導應力角度對磨削裂紋進行了分類,將磨削裂紋分為內應力主導的磨削裂紋和摩擦應力主導的磨削裂紋,該齒輪齒頂裂紋屬于內應力主導的磨削裂紋,齒根裂紋屬于摩擦應力主導的磨削裂紋.

(３)建議在磨削齒輪時減小進刀量,使摩擦應力降低,防止此類齒輪磨削裂紋的發生.

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 7期 > pp.526）