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齿轮磨削裂纹成因分析

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:484 发布时间:2022-6-21 QC检测仪器网

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。

 

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。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1mm 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。

 

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。

 

图1 齿轮齿顶和齿根裂纹宏观形貌

 

01

 

理化检验

 

 

 

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。 

 

表1 齿轮的化学成分(质量分数)

 

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。

 

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”。

 

图2 齿顶裂纹处纵剖面微观形貌

图3 齿顶裂纹微观形貌

图4 齿顶表层白亮组织的微观形貌

 

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。

 

图5 齿根裂纹微观形貌

 

02

 

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。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;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0.02~0.20mm,并且多数裂纹是在磨削完成后一段时间才产生,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。

 

03

 

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。

 

 

END

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