蝸桿類零件磨削裂紋及對策

■ 賈云峰

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蝸桿是機(jī)床回轉(zhuǎn)部件中的重要零件，工作時蝸桿螺旋表面與蝸輪齒面相對滑動，容易發(fā)生磨損，因此蝸桿常用滲碳鋼經(jīng)滲碳淬火處理，以獲得較高的硬度，防止蝸桿螺旋表面發(fā)生磨損。蝸桿類零件的精度要求很高，加工工藝復(fù)雜、工序長，如在加工過程中出現(xiàn)問題，將造成重大損失。我公司一種蝸桿零件在磨削加工時出現(xiàn)磨削裂紋，導(dǎo)致零件報廢，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度。

1. 蝸桿材料及主要工藝流程

此蝸桿材料為20CrMnTiH，形狀如圖1所示，熱處理要求為滲碳淬火，滲碳層深1.1～1.5 m m，淬火后表面硬度58HRC。

蝸桿加工工藝流程：下料→鍛造→正火→粗車→除應(yīng)力→精車→滲碳→螺紋處去碳→淬火→粗磨→無損檢測→時效→精磨。

熱處理過程：鍛件正火→滲碳→淬火→低溫回火→矯直→除應(yīng)力→低溫時效。熱處理工藝過程曲線如圖2所示。

滲碳淬火后，經(jīng)檢驗碳化物1級，滲碳層深1.32mm，表面硬度59～60HRC。

2. 裂紋現(xiàn)象描述

粗磨后蝸桿齒面出現(xiàn)磨削裂紋，裂紋極細(xì)，直線狀，深度較淺，形態(tài)為通常所說的“發(fā)紋”，裂紋不平行，呈散射線狀，如圖3所示。

3. 磨削裂紋產(chǎn)生原因分析

磨削裂紋與一般淬火裂紋明顯不同，淬火裂紋粗而深，數(shù)量少；磨削裂紋只發(fā)生在磨削面上，數(shù)量較多，深度較淺，且深度基本一致。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向呈條狀裂紋。此蝸桿齒面是螺旋狀曲面，磨削方向如圖3中箭頭所示，裂紋垂直于磨削方向，符合磨削裂紋的特征。

圖 1

圖 2

圖 3

熱處理后的零件在磨削加工時，由于砂輪變鈍未及時修整、磨削深度過大以及冷卻不充分等原因，可使磨削區(qū)內(nèi)瞬間高溫達(dá)到400～1500℃，從而發(fā)生磨削燒傷和磨削裂紋，引起零件表面組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力、力學(xué)性能等發(fā)生變化。

磨削裂紋的形成與工件硬度有關(guān)，硬度小于55HRC的工件雖可能發(fā)生燒傷，但產(chǎn)生磨削裂紋的情況極少，60HRC以上的工件，會使磨削裂紋發(fā)生的可能性大為增加。該零件實測硬度59～60HRC，大大增加了產(chǎn)生磨削裂紋的傾向。一方面，磨削條件不當(dāng)或磨削不規(guī)范時，被磨削的表面首先會形成一個個較強(qiáng)烈的燒傷中心，造成不均勻的熱應(yīng)力，在交替的高溫與急冷下應(yīng)力值漸增，應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時，被磨削的表面就會產(chǎn)生裂紋。另一方面，表層滲碳淬火組織中的殘留奧氏體，在磨削時受強(qiáng)烈的磨削熱的影響及切削液的冷卻，將會轉(zhuǎn)變?yōu)樾律鸟R氏體，引起零件表面局部體積膨脹，加大了零件表面拉應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中，繼續(xù)磨削則容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生。此外，新生的馬氏體脆性較大，磨削也容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生。

此蝸桿螺旋表面在磨削時，砂輪與零件的接觸面積較大，一方面產(chǎn)生的磨削熱大，另一方面切削液也不容易進(jìn)入磨削區(qū)域?qū)δハ髅孢M(jìn)行有效降溫，因此蝸桿螺旋表面由于磨削而產(chǎn)生的熱量，足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火成為淬火馬氏體；表面層的殘留奧氏體也會在急熱急冷的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力，再加上磨削所形成的熱量使零件表面薄層的溫度升高極快，這種組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的迭加就會導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。

從以上分析知道，產(chǎn)生磨削裂紋的根本原因在于有應(yīng)力存在，要防止發(fā)生磨削裂紋，就要減少和消除零件表面的各種應(yīng)力。

4. 磨削裂紋的防止措施

（1）熱處理方面 殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變增加了零件表面的組織應(yīng)力，因此，應(yīng)降低殘留奧氏體的含量。過高的淬火溫度使淬火后殘留奧氏體量增加，可適當(dāng)降低淬火溫度，淬火溫度由原先840℃降低至820℃，減少殘留奧氏體的形成；同時增加-60℃×2h的冷處理，促使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并在隨后的低溫回火中轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體組織，防止磨削時產(chǎn)生組織應(yīng)力。粗精磨之間的低溫時效時間由8h延長至12h，充分消除磨削造成的應(yīng)力。

（2）磨削工藝方面 磨削裂紋的產(chǎn)生是因為磨削熱所致，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。原磨削工藝已分粗精磨，現(xiàn)在選用粒度較粗的軟砂輪進(jìn)行粗磨，及時清除砂輪表面積屑，減少磨削深，增加磨削次數(shù)，減小工作臺速度，可以降低磨削熱。然后再用粒度細(xì)的砂輪進(jìn)行精磨（磨削深較淺），同時增大冷卻液流量，對磨削表面充分冷卻，防止磨削區(qū)升溫過快而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

5. 結(jié)語

改進(jìn)后的熱處理工藝曲線如圖4所示，熱處理后滲碳層深度、碳化物、表面硬度檢驗均正常。

圖 4

選用較為鋒利的砂輪，及時修整砂輪，保持砂輪鋒利，也是一種簡單易行的減少磨削裂紋的措施。改進(jìn)后蝸桿磨削正常，再沒有磨削裂紋發(fā)生，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度。