分享：齿轮磨削裂纹成因分析

摘 要:某齿轮磨削后表面产生了裂纹,其中齿顶裂纹为常规的磨削裂纹,而齿根裂纹为纵深较 大的非常规磨削裂纹,采用化学成分分析、非金属夹杂物检验、金相检验等方法对裂纹产生的原因 进行了分析,并从应力角度对磨削裂纹进行了分类.结果表明:磨削齿轮时进刀量过大使得摩擦应 力陡增,在该摩擦应力与热应力的共同作用下材料表面被拉裂,导致该齿轮齿顶、齿根产生裂纹;从 致使磨削裂纹产生的主导应力角度将磨削裂纹分为内应力主导的磨削裂纹和摩擦应力主导的磨削 裂纹,该齿轮齿顶裂纹属于内应力主导的磨削裂纹,齿根裂纹属于摩擦应力主导的磨削裂纹. 

关键词:磨削裂纹;摩擦应力;残余内应力;进刀量 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５２６Ｇ０３

磨 削 裂 纹 是 碳 素 钢 和 渗 碳 钢 经 热 处 理 淬 火 后,在磨削时比较常见的加工质量问题,磨削裂纹 通常情况下较浅,一般深度为０．０２~０．２０ mm,且 裂纹垂直于 或 大 致 垂 直 于 磨 削 面[１].然 而,笔 者 在近几年的 失 效 分 析 中 发 现,有 些 磨 削 裂 纹 深 度 是前述最大深度的５倍,约１ mm 深,且裂纹并非 垂直或大致 垂 直 于 磨 削 面 向 纵 深 发 展,而 是 起 裂 于表层,然后改变方向,最终沿平行于磨削面的浅 表层发展[２].

某齿轮渗碳淬火 后,对 花 键 齿 顶、齿 面、齿 根 进行磨削,花 键 齿 顶 采 用 外 圆 磨,齿 面 及 齿 根 采 用成形磨,磨削完成 后 进 行 磁 粉 检 测 时 发 现 数 个 花键齿 顶 及 齿 根 有 裂 纹,花 键 齿 顶 裂 纹 呈 细 网 状,齿根裂纹 呈 粗 网 状,如 图 １ 所 示,图 １a)中 裂 纹为常见磨 削 裂 纹,图 １b)中 裂 纹 即 为 上 述 的 非 常见磨 削 裂 纹. 因 此,笔 者 采 用 化 学 成 分 分 析、 非金属夹 杂 物 检 测、金 相 检 验 等 方 法,对 该 裂 纹 产生的原因进行了 分 析,并 从 应 力 角 度 对 磨 削 裂 纹进行分类. 

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

对齿轮未渗碳部位进行化学成分分析,结果见 表１.可见齿轮的化学成分符合 EN１００８４－２００８ «渗碳钢———交货技术条件»的要求. 

１．２ 非金属夹杂物检验 

依据 GB/T１０５６１－２００５«钢中非金属夹杂物 含量的测定———标准评级图显微检验法»,对该齿轮 沿轴向取样,对其进行非金属夹杂物检验.可见其 非金属夹杂物主要为球状氧化物,夹杂物评级结果 为:A(硫化物类)细０级,B(氧化铝类)细０级,C(硅 酸盐类)细０级,D(环状氧化物类)细０．５级;满足 A 类、C类、D类非金属夹杂物不高于１．５级,B类非金 属夹杂物不高于１．０级的企业技术要求.

１．３ 金相检验 

沿齿顶裂纹处将试样剖开,以便观察裂纹纵向 形态,齿顶裂纹纵剖面微观形貌如图２所示.可见在齿顶处有深约０．２０mm 的纵深裂纹,裂纹大体垂 直于齿顶向里延伸,裂纹在齿顶表面处开口较大,向 内逐渐变细,尾部沿晶发展呈尖细状,如图３所示. 在齿顶局部区域发现有白亮组织,如图４所示.将 试样２３０ ℃低温回火３h后,白亮组织消失,由此可 推断该白亮组织为磨削二次淬火,二次淬火组织经 回火后转变成回火马氏体组织,与基体组织无差异, 故而“消失”.

将齿根裂纹沿平行于齿端平面剖开,观察齿根 裂纹形貌,如图５所示,可见裂纹未沿纵深方向扩 展,而是沿浅表层延伸,最深处约１．００mm,裂纹在 表层开口较宽大,末端较尖细且沿晶发展,在齿根裂 纹附近有白亮组织. 

２ 分析与讨论

由以上理化检验结果可知,在该齿轮齿顶发现 有网状龟裂,表层金相存在白亮组织,经２３０℃低温 回火后白亮组织消失,可推断白亮组织为二次淬火 组织;从裂纹形态来看,齿顶裂纹呈细网状,深度较 浅,约０．２mm 深,且裂纹从表面向纵深发展,大致 垂直于齿表面,属典型网状龟裂磨削裂纹[３Ｇ４].齿根 发现少量的白色组织也为二次淬火组织,但与齿顶 典型磨削细网状龟裂裂纹不同,齿根裂纹呈粗网状, 通过解剖发现,裂纹并非沿纵深方向发展,而是改变 方向,最终沿平行于表面的浅表层方向进行扩展,横 穿齿根裂纹的扩展方向与磨削方向一致,且裂纹较 深达１．０mm.该类裂纹产生的主要原因是磨削齿 轮时进刀量过大,使摩擦应力陡增,摩擦应力与热应 力共同作用,将材料表面拉裂. 

由磨削造成的裂纹统称为磨削裂纹,按裂纹形 状可分为网状、放射状、蜷曲状、星点状[５Ｇ６];按磨削 热致使工件表面温度上升,导致表面发生两次收缩 而产生裂纹,可把磨削裂纹分为由第一次收缩引起 的第Ⅰ类裂纹和由第二次收缩引起的第Ⅱ类裂纹. 以上分类从裂纹的形态特征和裂纹产生的原理上对 磨削裂纹进行了分类,从而可以鉴别和预防磨削裂 纹.然而前文中深度较深的磨削裂纹是一种不太常 见的磨削裂纹,为将该类磨削裂纹与常见磨削裂纹 进行区分,笔者从致使磨削裂纹产生的主导应力角 度,对磨削裂纹进行了分类,将磨削裂纹分为内应力 主导的磨削裂纹和摩擦应力主导的磨削裂纹.从应 力角度来讲,零件出现裂纹或者发生开裂是由于应 力超过了材料抗力.在磨削加工过程中,在上次进 刀磨削后,零件表面有组织应力、热应力以及表面的 塑性变形应力,这几种应力均属于残余内应力,再次进刀进行磨削时,表面除受以上残余内应力外,还受 摩擦应力,进刀量越大,摩擦应力也越大,转换的热 能则越多,若冷却条件不变,热应力、塑性变形应力 的残余内应力也越大.残余内应力与摩擦应力共同 存在,在残余内应力主导下产生的磨削裂纹向纵深 方向发展,且深度较浅,一般为０．０２~０．２０ mm,并 且多数裂纹是在磨削完成后一段时间才产生[７],该 类裂纹笔者将其称为内应力磨削裂纹;在摩擦应力 主导下产生的磨削裂纹,裂纹从表面起裂,最终朝平 行于表面的浅表层方向扩展,且深度较深,该类裂纹 在磨削当 时 便 产 生,笔 者 将 其 称 为 摩 擦 应 力 磨 削 裂纹.

３ 结论及建议 

(１)该齿轮齿顶、齿根裂纹是因为磨削齿轮时 进刀量过大,使得摩擦应力陡增,该摩擦应力与内应 力的共同作用下,将材料表面拉裂. 

(２)从致使磨削裂纹产生的主导应力角度对磨 削裂纹进行了分类,将磨削裂纹分为内应力主导的 磨削裂纹和摩擦应力主导的磨削裂纹,该齿轮齿顶 裂纹属于内应力主导的磨削裂纹,齿根裂纹属于摩 擦应力主导的磨削裂纹. 

(３)建议在磨削齿轮时减小进刀量,使摩擦应 力降低,防止此类齿轮磨削裂纹的发生.

参考文献: 

[１] 王明勇．磨削裂纹产生机理和预防措施[J]．机械制造 与自动化,２００３,３２(４):４４Ｇ４５． 

[２] 任敬心,华定安．磨削原理[M]．北京:电子工业出版 社,２０１１． 

[３] 高铁生．磨削裂纹产生的原因与控制[J]．热处理技术 与装备,２００７,２８(６):５０Ｇ５５． 

[４] 孙胜伟,宋亚虎,刘铁山,等．２０CrMnMo钢渗碳齿轮 磨削裂纹成因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１６, ５２(２):１１７Ｇ１２０． 

[５] 余继唐．磨削裂纹的分类[J]．无损检测,１９８４,６(１): ２３Ｇ２６． 

[６] 朱双霞,刘莹,郭纪林,等．常用钢磨削纹理方向与其 表面摩擦 因 数 的 关 系 [J]．机 械 工 程 材 料,２００９,３３ (６):３１Ｇ３３． 

[７] 陈立光,刘召兵,彭亚超,等．解决磨削裂纹的新思路、 新途径[J]．精密制造与自动化,２００５(１):６２Ｇ６４．

文章来源——材料与测试网