大型弧齒錐齒輪端面掉渣的分析

盧佳

摘 要：齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的一種零部件，尤其是大型弧齒錐齒輪加工難度大、應(yīng)用范圍廣，更是需要對(duì)大型弧齒錐齒輪的生產(chǎn)引起足夠的重視。我公司生產(chǎn)的弧齒錐齒輪中的從動(dòng)輪，硬切后全部于齒的小端端面、在700C銳角處一側(cè)產(chǎn)生掉渣。其數(shù)量達(dá)到齒數(shù)的50%，掉渣尺寸約為10×8×（1.5～0.5）。本文在完成大型弧齒錐齒輪生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上通過(guò)采用外觀觀察、金相分析等的手段對(duì)大型弧齒錐齒輪端面掉渣的原因進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：工藝分析；掉渣原因；質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.大型弧齒錐齒輪生產(chǎn)工藝分析

1.1 大型弧齒錐齒輪生產(chǎn)工藝及質(zhì)量檢測(cè)。大型弧齒錐齒輪的生產(chǎn)工藝如下：毛坯件的鍛造-對(duì)鍛造完成后的毛坯件進(jìn)行正火-對(duì)毛坯件進(jìn)行粗車-將粗車完成后的毛坯件調(diào)質(zhì)-半精車銑齒滲碳-熱處理淬火及回火-精車-使用內(nèi)圓磨磨內(nèi)孔-精銑齒（硬切），大型弧齒錐齒輪的材質(zhì)為20CrMnMo。大型弧齒錐齒輪在生產(chǎn)過(guò)程中如未經(jīng)過(guò)滲碳、淬火或回火等熱處理的情況下將會(huì)導(dǎo)致大型弧齒錐齒輪中的部分輪齒出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型弧齒錐齒輪中出現(xiàn)掉渣的輪齒占據(jù)到總齒數(shù)的50%以上，嚴(yán)重影響了公司產(chǎn)品外觀及產(chǎn)品質(zhì)量，給公司造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)對(duì)掉渣區(qū)域進(jìn)行觀察分析懷疑是由于熱處理不當(dāng)所導(dǎo)致的，例如：正火或調(diào)質(zhì)等也會(huì)使得大型弧齒錐齒輪輪齒的硬度無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)要求，從而會(huì)使得大型弧齒錐齒輪的輪齒產(chǎn)生掉渣問(wèn)題。

1.2 對(duì)于大型弧齒錐齒輪中的掉渣輪齒進(jìn)行外觀分析。通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪的輪齒掉渣斷口進(jìn)行外觀分析判斷，初步懷疑大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣主要是由于輪齒的韌性不足并產(chǎn)生的斷裂所造成的，通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒的斷口進(jìn)行外觀觀察發(fā)現(xiàn)端口處的晶粒粗大，造成這一現(xiàn)象的原因主要是由于韌性開(kāi)裂所造成的。

1.3 使用顯微鏡等對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒端口處進(jìn)行微觀分析。通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒的掉渣試樣使用電鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在試樣中的白色（低碳馬氏體）的基體上均勻分布著黑色團(tuán)狀（鞋履狀）組織。通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒試樣的基體硬度進(jìn)行檢測(cè)確定其硬度為HV478（HRC48）及HV458（HRC46.5）；黑色組織硬度為HV362（HRC38.5）。對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣使用金相分析后來(lái)確定試樣中的黑色組織及基體組織中的化學(xué)成分及其相對(duì)含量，通過(guò)使用金相分析來(lái)測(cè)定大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織及基體的碳（C），鐵（Fe）相對(duì)含量值，通過(guò)測(cè)定的數(shù)據(jù)表明試樣中的黑色組織中的碳含量是基體中的碳含量的4倍左右，而黑色組織中的鐵含量則與此相反，從而對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒的強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。在對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣使用電鏡觀察后，為更好地對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進(jìn)行觀察通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行3次拋光腐蝕后，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進(jìn)行觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)試樣中的發(fā)現(xiàn)黑色團(tuán)狀已經(jīng)消失不見(jiàn)，在觀測(cè)中存在較多的是金屬裂紋和夾雜在其中的非金屬物質(zhì)，通過(guò)對(duì)金屬裂紋進(jìn)行細(xì)致的觀察后發(fā)現(xiàn)，金屬裂紋的起始端多開(kāi)始于夾雜在其中的非金屬物質(zhì)的尖角處的，在這些大裂紋產(chǎn)生的同時(shí)也會(huì)派生出一些細(xì)小的金屬裂紋。通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣的渣斷口使用電鏡二次成像，顯示了韌性斷裂的韌性斷口，在電鏡顯示下發(fā)現(xiàn)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣的晶粒大小不均勻，出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象。對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣使用電鏡二次成像所獲得的圖像中可以看出其中所分布的小晶粒與大晶粒兩者之間相比差3倍；對(duì)于對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣斷口處進(jìn)行局部放大3次電子像進(jìn)行分析能夠更進(jìn)一步表明韌性斷口及穿晶斷裂。

2.大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣原因的分析與討論

2.1 大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織及其形成。對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進(jìn)行金相分析后發(fā)現(xiàn)，大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織其主要化學(xué)成分是碳，其所形成的物質(zhì)是純碳而不是碳的化合物等，由于純碳的硬度不高，通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織進(jìn)行硬度測(cè)定后發(fā)現(xiàn)其硬度僅有HRC38.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到大型弧齒錐齒輪輪齒所需要的硬度，碳化合物的硬度較高，如其所形成的是碳化合物則對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)定后硬度測(cè)量數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HRC38.5這一硬度數(shù)據(jù)，此外，在后續(xù)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進(jìn)行觀測(cè)中，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行3次拋光后發(fā)現(xiàn)其已消失不不見(jiàn)，造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中所產(chǎn)生的黑色組織主要是由于在滲碳處理的過(guò)程中，爐氣滲入所形成的，對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進(jìn)行3次拋光后黑色組織消失則說(shuō)明所形成的黑色組織層很薄。

2.2 大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中裂紋的產(chǎn)生原因分析。通過(guò)對(duì)大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進(jìn)行電鏡觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣裂紋產(chǎn)生主要來(lái)自于大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中所含有的非金屬夾雜物的尖端，這些尖端所產(chǎn)生的裂紋在經(jīng)過(guò)后期的熱處理后在熱應(yīng)力的作用下會(huì)使得裂紋擴(kuò)展，大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的大裂紋及小裂縫充分說(shuō)明了這一問(wèn)題，此外，在大型弧齒錐齒輪輪齒的機(jī)械加工過(guò)程中，外界機(jī)械作用力也會(huì)使得裂紋得到擴(kuò)展，大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣處于臨界狀態(tài)，其強(qiáng)度會(huì)受到較大的影響，最終只要用手觸摸便脫落下來(lái)。

2.3 鍛件質(zhì)量缺陷是造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣問(wèn)題的主要原因。在大型弧齒錐齒輪的制造過(guò)程中，大型弧齒錐齒輪齒坯鍛件的利用率過(guò)高時(shí)，鍛造時(shí)將冒口內(nèi)的非金屬夾雜物鍛打到了齒坯中，在鍛造的過(guò)程中粗墩加工僅僅是將鋼錠中心部位都打到齒坯內(nèi)孔周圍，從而使得大型弧齒錐齒輪的小端中含有較多的非金屬雜質(zhì)，在大型弧齒錐齒輪毛坯件的加工過(guò)程中如仍采用原先的鍛造工藝將無(wú)法將這些非金屬雜質(zhì)打碎，疏松未有焊合，形成了大量的顯微裂紋策源地，這些非金屬雜質(zhì)周邊在鍛造的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力積聚，當(dāng)毛坯件完成鍛造后這些積聚的應(yīng)力釋放后將會(huì)產(chǎn)生顯微裂紋。

2.4 大型弧齒錐齒輪輪齒中的晶粒不均勻現(xiàn)象是導(dǎo)致掉渣現(xiàn)象的另一個(gè)主要原因。大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的混晶是滲碳齒輪鍛件加工生產(chǎn)中必然會(huì)產(chǎn)生的缺陷，為消除這一缺陷需要對(duì)大型弧齒錐齒輪毛坯件進(jìn)行相應(yīng)的熱處理（等溫正火或高溫正火+高溫回火加以消除），通過(guò)上述熱處理措施使得晶粒獲得等軸晶粒的細(xì)片狀珠光體。熱處理不到位未能形成均勻的晶粒結(jié)構(gòu)是造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣的另一個(gè)主要原因之一。

大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣的主要原因是由于毛坯件在鍛造不到位且在進(jìn)廠后并未采取熱處理措施來(lái)消除其中的混晶現(xiàn)象，致使鍛件的強(qiáng)度降低，同時(shí)由于鍛造比設(shè)置不合理為大型弧齒錐齒輪形成黑色組織埋下了隱患。掉渣時(shí)由于齒坯先天性裂紋引起的，而此裂紋起源于夾雜物的尖角及疏松未焊合處的顯微裂紋。黑色組織是游離碳，不是化合碳（Fe3c），它來(lái)自于滲碳?xì)夥罩刑荚印?/p>

結(jié)語(yǔ)

大型弧齒錐齒輪的加工制造是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要各加工環(huán)節(jié)緊密配合，其需是熱處理是大型弧齒錐齒輪加工中的重要一環(huán)，為提高大型弧齒錐齒輪的加工質(zhì)量，需要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，做好大型弧齒錐齒輪加工中的各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，尤其是要對(duì)大型弧齒錐齒輪加工中的熱處理工藝引起足夠的重視。

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