風(fēng)電齒輪磨削裂紋分析和試驗(yàn)研究

朱麗丹，婁軼群，王 良，馬金國(guó)

(1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116013;2.大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

磨削裂紋很多是磨削熱引起的，在磨削過程中工件表面因磨削熱導(dǎo)致表面膨脹，熱量快速向工件內(nèi)部傳導(dǎo)，而工件表面被冷卻液冷卻收縮，但內(nèi)層體積仍在膨脹，工件表層受到拉應(yīng)力的同時(shí)又受到砂輪的“撕扯”應(yīng)力，當(dāng)這兩個(gè)應(yīng)力的總和超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就在齒輪表面形成裂紋［1～5］。如果出現(xiàn)磨削裂紋，將直接影響裝配進(jìn)度、造成很大經(jīng)濟(jì)損失，所以解決磨削裂紋問題非常重要。

某廠家在2013 年10 月和2014 年5 月生產(chǎn)的二級(jí)太陽輪，集中產(chǎn)生9 件由于磨削裂紋原因致使齒輪件報(bào)廢，而且全部是3 MW 二級(jí)太陽輪。經(jīng)調(diào)查鍛件材料屬同一廠家供貨，集中分布在四個(gè)爐批號(hào)中，滾齒完成后分別集中在四個(gè)滲碳爐次完成滲碳淬火工序。

1 樣本分析

1.1 外觀形貌分析

原始狀態(tài):編號(hào):DB11L0081;爐批號(hào):1012F－35;材質(zhì):18CrNiMo7－6;3 MW 風(fēng)電齒輪箱用二級(jí)太陽輪，在熱處理部門完成滲碳淬火后進(jìn)行磨齒，磨齒完成后采用磁粉探傷發(fā)現(xiàn)缺陷。如圖1 所示。

圖1 磨削裂紋Fig.1 Gear grinding crack

圖1a為磨削裂紋處外觀形貌，磨削裂紋部位出現(xiàn)由于磨削高溫引起的發(fā)白現(xiàn)象。圖1b為磁粉探傷結(jié)果，齒根圓與漸開線過度部位密集平行磁粉堆積現(xiàn)象，裂紋方向平行沿著砂輪磨痕分布，所以初步判斷是由于砂輪磨粒不鋒利造成的或刀具進(jìn)給量太大引發(fā)。

1.2 化學(xué)成分分析

在磨削裂紋部位取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表1。試樣成分含量，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN10084 中對(duì)各成分含量的要求，排除是由于化學(xué)成分不合格而引發(fā)磨削裂紋的可能性。

表1 化學(xué)分析結(jié)果Tab.1 The analysis result of chemical composition %

1.3 金相分析

金相觀察:試樣1 有裂紋，深度約1 mm，如圖2 所示;試樣2 高倍試片在齒頂和齒根等未經(jīng)磨削的部位均有內(nèi)氧化現(xiàn)象，內(nèi)氧化層0.12 mm，遠(yuǎn)超技術(shù)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求0.06 mm)，如圖3 所示。內(nèi)氧化層會(huì)增加齒面表面張力，在磨齒時(shí)可能在磨削力的作用下促使裂紋產(chǎn)生和發(fā)展，但這并不是造成磨削裂紋的主要原因，因裂紋均出現(xiàn)在節(jié)圓以下且多條平行分布，而不是內(nèi)氧化的網(wǎng)狀形態(tài)，且節(jié)圓以上沒有裂紋，裂紋處目視明顯可見黑色磨削燒傷痕跡，裂紋部位有磨削熱產(chǎn)生的組織轉(zhuǎn)變，有高溫回火和二次淬火現(xiàn)象，因此裂紋產(chǎn)生的主要原因是磨削熱。

圖2 裂紋高倍形貌100 ×Fig.2 High appearance of crack 100 ×

圖3 齒根內(nèi)氧化400 ×Fig.3 The gear root oxidation 400 ×

圖4 裂紋附近馬氏體和碳化物Fig.4 The martensite and carbideat at side of crack

1.4 熱處理工藝分析

熱處理后的組織碳化物級(jí)別及其分布狀態(tài)對(duì)裂紋的產(chǎn)生有很大的影響，特別是碳化物級(jí)別較高且呈網(wǎng)狀或斷續(xù)分布時(shí)，對(duì)裂紋的產(chǎn)生更加敏感，因此需保證碳化物呈粒狀分布的正常組織形態(tài)，預(yù)防裂紋產(chǎn)生［9～12］。

工件內(nèi)部殘余奧氏體過多，當(dāng)磨削條件較差時(shí)，磨削熱會(huì)使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體遇熱分解，體積先膨脹后收縮，造成表面開裂，形成裂紋，所以要嚴(yán)格控制工件滲碳層中碳的濃度，避免產(chǎn)生過多殘余奧氏體與馬氏體［13］，裂紋方向平行沿著砂輪磨痕分布，排除在鍛造與淬火時(shí)裂紋擴(kuò)大與產(chǎn)生(網(wǎng)狀)的可能性，如圖4所示，馬氏體和碳化物都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，兩側(cè)節(jié)圓有效硬化層深度3.35 mm 和3.45 mm。

充分回火，回火溫度太低或時(shí)間不足，可增加馬氏體的脆性，增大磨裂的可能。

1.5 分析結(jié)果

外觀形貌、化學(xué)成分、金相及熱處理等分析結(jié)果顯示，磨削加工產(chǎn)生的磨削熱是引起該二級(jí)太陽輪磨削裂紋產(chǎn)生的主要原因。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)工裝

風(fēng)電齒輪箱的太陽輪中心設(shè)計(jì)為通孔(用于穿線管的安裝)，加工時(shí)兩端需要安裝堵頭，堵頭頂尖中心孔的加工質(zhì)量要求:粗糙度Ra≤0.8 mm 校核接觸面積達(dá)到80%以上。

加工前選擇支撐面水平度相對(duì)較好的胎具，用千分表找正，工件中心軸線與機(jī)床定位中心同軸度誤差控制在0.02 mm 以內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

(1)工件參數(shù)。試驗(yàn)齒輪相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 二級(jí)太陽輪齒輪相關(guān)參數(shù)Tab.2 Gear parameters of two stage solar wheel

(2)砂輪參數(shù)。磨削使用的砂輪越硬，砂輪本身的多孔性越差，在磨削過程中，砂粒間的空隙很快被切削下來的碎屑堵塞，加之硬度高的砂輪自銳性差，磨鈍的砂粒不能及時(shí)被去掉，造成砂輪與齒面間的擠光現(xiàn)象［2］，容易引起磨削熱過大產(chǎn)生齒面燒傷和裂紋，若使用的砂輪軟，會(huì)影響齒形精度。本試驗(yàn)選用美國(guó)NORTON 砂輪，磨粒為60#，外形尺寸為400 mm × 40 mm ×127 mm。

(3)原工藝參數(shù)。原工藝設(shè)置如表3 所示。采用整圈均布三齒三點(diǎn)測(cè)量，根據(jù)三點(diǎn)測(cè)量值磨齒機(jī)程序自動(dòng)計(jì)算出最大公法線值，操作者根據(jù)結(jié)果及結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)將最大公法線值擴(kuò)大0.4～0.7 mm 作為齒輪開始磨削的初始公法線，磨削方式采用雙面磨削。

表3 原始工藝參數(shù)Tab.3 Original processing technology parameters

2.3 試驗(yàn)

在冷卻液和冷卻方式均滿足要求的情況下，齒輪表面產(chǎn)生的磨削熱越大，磨削裂紋產(chǎn)生的可能性就越大，影響因素包括進(jìn)刀量大小、沖程速度大小、砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度大小及砂輪修整頻率等，進(jìn)刀量過大，沖程速度太大、砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度越高、砂輪修整頻率太低都容易引起磨削熱過大，這就要求工藝參數(shù)設(shè)置時(shí)，嚴(yán)格控制磨削過程中各個(gè)參數(shù)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，砂輪最先接觸到的是齒根附件部位，如圖5 所示，此部位正好是磨削裂紋存在的部位，所以重點(diǎn)研究粗磨工藝對(duì)磨削裂紋的影響。

2.3.1 試驗(yàn)方案

圖5 試驗(yàn)中砂輪最先接觸部位Fig.5 The first contact site of grinding wheel in test

磨削方式采用雙面磨，設(shè)計(jì)粗磨預(yù)留空刀量、粗磨進(jìn)給量、粗磨砂輪沖程速度、粗磨砂輪轉(zhuǎn)速和粗磨金剛輪修砂輪頻率五個(gè)變量見表4。

在磨削過程中，如果預(yù)留空刀量不足，砂輪會(huì)很快觸碰到工件表面，此時(shí)控制屏上顯示瞬時(shí)電流值，但此數(shù)據(jù)不記錄，造成后期無法查詢追訴，所以要適當(dāng)人為加大初始公法線數(shù)值。改進(jìn)測(cè)量方法，采用整圈均布四齒三點(diǎn)測(cè)量，磨齒機(jī)程序計(jì)算獲得最大公法線122.7237 mm，如圖6所示，將空刀間隙調(diào)整單邊增加0.46 mm 的同時(shí)，再增加2 mm 作為齒輪開始磨削的初始公法線。

表4 磨削參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.4 Grinding parameters of designing

圖6 公法線測(cè)量控制界面Fig.6 The control interface of common normal measuring

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)選取同批同爐的二級(jí)太陽輪完成磨削，試驗(yàn)方案1、2、3 完成后磁粉探傷檢驗(yàn)全部存在磨削裂紋;試驗(yàn)方案4、5 完成后磁粉檢驗(yàn)合格率為100%，而且方案5 比方案4 縮短工時(shí)10%左右，但比原工時(shí)增加近一倍。

利用全因子設(shè)計(jì)的分析方法，結(jié)合實(shí)際加工工藝和磨床性能選取參數(shù)因子和水平，擬合選定模型中只包含全部因子的主效應(yīng)，因子二階以上交互作用忽略不計(jì)，借助MINITAB 軟件和帕累托圖［14］可以得出預(yù)留空刀量和粗磨進(jìn)給量是顯著因子。

3 結(jié)論

(1)磨削熱是磨削裂紋產(chǎn)生的外在主要因素;

(2)預(yù)留空刀量和粗磨進(jìn)給量的是引發(fā)磨削裂紋的顯著因子，提高工件裝夾和找正精度，以及在磨齒加工前，采用硬質(zhì)合金滾刀進(jìn)行半精滾齒去除熱處理變形，都可以有效降低磨削裂紋的幾率。

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