解決曲軸圓角開(kāi)檔磨削燒傷及裂紋問(wèn)題

■中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司 （四川 641301） 代金金 丑洋洋

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1.產(chǎn)品介紹

我公司生產(chǎn)的一種柴油機(jī)曲軸（見(jiàn)圖1），其連桿頸的主要技術(shù)特征及指標(biāo)如下：①曲軸材料為AISI 4145H鋼。②連桿頸軸頸、圓根及開(kāi)檔凸臺(tái)均采用中頻感應(yīng)淬火處理。軸頸淬火深度≥5～8mm、圓根及開(kāi)檔凸臺(tái)淬火深度2～4mm，硬化層表面硬度45～53HRC、極限硬度要求為43HRC；開(kāi)檔凸臺(tái)全面積淬硬。③曲軸為焊接平衡塊結(jié)構(gòu)，每一曲拐都帶一塊焊接平衡塊，以連桿頸為回轉(zhuǎn)中心，回轉(zhuǎn)直徑≥1 000mm。

圖 1

2.問(wèn)題的提出

該曲軸在成品探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)連桿頸圓根處有裂紋（見(jiàn)圖2a）。同時(shí)對(duì)在產(chǎn)的該曲軸進(jìn)行探傷檢查，發(fā)現(xiàn)曲軸連桿頸開(kāi)檔面有不同程度的裂紋（見(jiàn)圖2b）。經(jīng)過(guò)對(duì)裂紋部位進(jìn)行酸蝕檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋部位均存在不同程度的磨削燒傷，燒傷部位呈柳葉狀（見(jiàn)圖2c）。

通過(guò)對(duì)該曲軸探傷檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和裂紋深度確定等方面檢驗(yàn)分析，得出結(jié)論為曲軸連桿頸圓根處的裂紋為嚴(yán)重的磨削燒傷導(dǎo)致的疲勞裂紋。

3.原因分析

（1）磨削燒傷的定義：磨削燒傷是指磨削時(shí)，由于磨削區(qū)域的瞬時(shí)高溫（一般為900～1 500℃）到相變溫度以上時(shí)，形成零件表層金相組織變化（大多表面的某些部分出現(xiàn)氧化變色），使表層金屬?gòu)?qiáng)度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磨削燒傷。磨削燒傷機(jī)理是當(dāng)磨削表面產(chǎn)生高溫時(shí)，如果散熱措施不好，很容易在工件表面（從幾十微米到幾百微米）發(fā)生二次淬火及高溫回火。如果磨削工件表面層的瞬間溫度超過(guò)鋼種的Ac1點(diǎn)，在冷卻液的作用下產(chǎn)生二次淬火馬氏體，而在表層下由于溫度梯度大，時(shí)間短，只能形成高溫回火組織，這就使表層和次表層之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，而表層為一層薄而脆的二次淬火馬氏體，當(dāng)承受不了應(yīng)力時(shí)，將產(chǎn)生裂紋。

圖 2

（2）磨削燒傷及磨削裂紋的原因分析：根據(jù)該曲軸磨削裂紋及燒傷狀態(tài)，初步判斷產(chǎn)生磨削燒傷及磨削裂紋的主要原因是在磨削加工中，磨削區(qū)的溫度過(guò)高、磨削不當(dāng)造成。

為解決這一問(wèn)題我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了原因查找：①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理。②材料及熱處理殘余應(yīng)力是否過(guò)大。③磨削方式是否正確。④砂輪的選擇是否合理。⑤砂輪的修整是否及時(shí)、銳利。⑥機(jī)床冷卻是否充分。⑦磨削參數(shù)是否合理。

曲軸結(jié)構(gòu)對(duì)磨削的影響：該曲軸采用的焊接平衡塊結(jié)構(gòu)，磨削時(shí)平衡塊的高度影響了砂輪側(cè)面的冷卻，冷卻液無(wú)法進(jìn)入砂輪與開(kāi)檔面之間；在磨削到連桿頸R時(shí)，砂輪與工件間接觸面積過(guò)大，冷卻液無(wú)法將已產(chǎn)生的磨削熱迅速?gòu)哪ハ鲄^(qū)域帶走，造成磨削燒傷或裂紋。

曲軸材料及熱處理的影響：該曲軸采用美國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)AISI 4145H，與國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)曲軸材料42CrMoA對(duì)比如附表所示。

該曲軸材料C、Mn的含量值提高，Cr的含量要求值范圍變大，因無(wú)法找到該材料的熱處理臨界點(diǎn)參數(shù)，也沒(méi)有對(duì)該材料的Ac1、Ac3等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)計(jì)算得出AISI 4145H鋼臨界點(diǎn)Ac1為699.445～746.51℃。

通過(guò)查表可知，42CrMoA材料 Ac1為730℃左右。

當(dāng)磨削區(qū)域的瞬時(shí)高溫超過(guò)材料的Ac1時(shí)，將會(huì)發(fā)生磨削燒傷及裂紋，Ac1值越低，磨削時(shí)越容易產(chǎn)生裂紋，該曲軸的Ac1值低于國(guó)產(chǎn)機(jī)車(chē)42CrMoA的Ac1值，因此發(fā)生磨削燒傷及磨削裂紋的幾率大大高于國(guó)產(chǎn)機(jī)車(chē)曲軸。

磨削方式不合理：以往我公司生產(chǎn)的曲軸開(kāi)檔面未做中頻強(qiáng)化處理，一直采用端面靠磨的方式完成端面磨削，靠磨的磨削方式優(yōu)點(diǎn)是效率高，適用于磨削面積不大、硬度不高的產(chǎn)品，缺點(diǎn)是砂輪端面需要整體和曲軸端面接觸，磨削面積大，冷卻介質(zhì)無(wú)法進(jìn)入砂輪和曲軸端面之間，也就無(wú)法迅速帶走磨削熱，曲軸燒傷的幾率大大增加，該曲軸連桿頸開(kāi)檔磨削也采用了端面靠磨方式，中頻淬火表面因冷卻不到位加劇了磨削裂紋的產(chǎn)生。

對(duì)曲軸連桿頸磨削時(shí)，為保證曲拐半徑精度，需要在磨削過(guò)程中測(cè)量和重新調(diào)偏心，此時(shí)已經(jīng)對(duì)一側(cè)開(kāi)檔面做了磨削，當(dāng)重新調(diào)偏心后，曲軸在軸向會(huì)發(fā)生輕微的位移，當(dāng)砂輪大速度進(jìn)給時(shí)，砂輪側(cè)面蹭到已經(jīng)完成磨削的開(kāi)檔面，相當(dāng)于對(duì)開(kāi)檔面做了二次大進(jìn)給量的磨削，再次形成磨削燒傷及裂紋，該燒傷即為圖2c中柳葉狀燒傷。

砂輪選擇不合理：因該曲軸結(jié)構(gòu)所需砂輪直徑較大，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)這樣直徑砂輪的廠家不多，原有進(jìn)口砂輪證書(shū)型號(hào)按照國(guó)內(nèi)牌號(hào)標(biāo)識(shí)為WA46KV，但顏色與傳統(tǒng)白剛玉砂輪顏色不一致，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該砂輪國(guó)外牌號(hào)86A46Xk，屬于鉻剛玉，其中有一定百分比的54#磨料，該種砂輪一般用于磨削工具鋼，54#磨料可以保持良好的磨削表面粗糙度，但對(duì)表面淬火工件而言磨粒過(guò)細(xì)，容易產(chǎn)生磨削燒傷及裂紋。

砂輪的修整存在問(wèn)題：曲軸燒傷開(kāi)檔面呈鏡面狀態(tài)，表面粗糙度值已經(jīng)達(dá)到Ra＝0.05～0.10μm，經(jīng)過(guò)觀察和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原砂輪修整器結(jié)構(gòu)單薄，快速度下修整砂輪時(shí)金剛輪發(fā)顫嚴(yán)重，只好采用較低的修整速度，造成砂輪磨削面過(guò)細(xì)、不鋒利，磨削R及開(kāi)檔面時(shí)表面粗糙度呈鏡面，造成磨削燒傷和裂紋的因素加大。

冷卻效果差：連桿頸磨削采用意大利進(jìn)口曲軸數(shù)控磨床，只有一個(gè)主冷卻水管，現(xiàn)場(chǎng)觀察冷卻水流量低，冷卻效果不好，到達(dá)不到砂輪側(cè)面，開(kāi)檔面無(wú)冷卻水進(jìn)入，磨削熱無(wú)法帶走，形成燒傷乃至裂紋。

4.改進(jìn)措施

曲軸的結(jié)構(gòu)及熱處理要求等設(shè)計(jì)要求是無(wú)法改變的，因此降低磨削區(qū)溫度的途徑主要是減少磨削熱的產(chǎn)生及加速磨削熱的傳出，因此我們圍繞這兩點(diǎn)經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)，確定了以下改進(jìn)措施并實(shí)行。

AISI 4145H與國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)曲軸常用材料及其化學(xué)成分（%）對(duì)照表

（1）對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化：曲軸中頻淬火后采用曲軸數(shù)控車(chē)床再精車(chē)連桿頸開(kāi)檔工序，控制曲軸尺寸鏈，使磨削余量均勻分布，減少磨削余量。在該工序后增加了熱處理時(shí)效工序，減少熱處理及加工應(yīng)力。

（2）磨削方式的改變：采用切入磨削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的端面靠磨，同時(shí)將砂輪修整為倒錐形，使得砂輪端面與曲軸端面在磨削時(shí)形成的是線接觸，磨削熱量較靠磨小，冷卻介質(zhì)可以有效地進(jìn)入磨削表面。

根據(jù)磨削工藝試驗(yàn)結(jié)果確定采用數(shù)控曲軸磨床，在精磨R和連桿頸時(shí)，砂輪從已經(jīng)磨好的開(kāi)檔面起軸向移動(dòng)規(guī)定的距離作為讓刀，避免磨削R及軸頸時(shí)砂輪大速度走刀對(duì)端面產(chǎn)生二次磨削造成燒傷，并通過(guò)數(shù)控程序控制砂輪端面對(duì)開(kāi)檔面的讓刀尺寸，該尺寸根據(jù)設(shè)備情況精確到0.01mm。

（3）砂輪的選擇：根據(jù)公司其他中頻曲軸的磨削情況及該曲軸所需砂輪直徑要求，調(diào)研了美國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)上海、鄭州等國(guó)內(nèi)外砂輪制作廠家，因造價(jià)、供貨期等因素，仍選擇原供貨商供貨，但要求按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)供應(yīng)一片相當(dāng)于WA46KV的砂輪。經(jīng)調(diào)研后再申請(qǐng)購(gòu)買(mǎi)了1片NQ砂輪，NQ砂輪是美國(guó)磨具中心與磨削技術(shù)中心研發(fā)的最新科研成果，主要用于汽車(chē)曲軸及內(nèi)螺紋磨削，砂輪脫粒好，磨削刃面可保持鋒利，磨削效率高。

（4）砂輪側(cè)面修整器改進(jìn)、砂輪修整周期及次數(shù)的調(diào)整：對(duì)修整器進(jìn)行了加固強(qiáng)化改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)制作了鎖緊螺母等配件，加強(qiáng)了修整器的承力能力，提高了砂輪修整速度，砂輪端面的修整速度由220mm/min提高到280mm/min。

砂輪端面的修整由普通曲軸每4支曲軸修整1次，調(diào)整為每1支曲軸修整1次。

砂輪外圓及圓弧R的修整由每支曲軸精磨時(shí)修整1次，調(diào)整為每對(duì)連桿頸精磨時(shí)修整1次。

（5）冷卻系統(tǒng)改造。主冷卻管改造：將正面噴嘴進(jìn)水管由管螺紋固定聯(lián)接改為球面聯(lián)接，使得冷卻液噴淋位置可調(diào)，當(dāng)砂輪尺寸發(fā)生變化時(shí)，可使冷卻主管靠近砂輪磨削區(qū)域，及時(shí)帶走磨削熱。

增加砂輪側(cè)面冷卻水系統(tǒng)：因曲軸帶有平衡塊，在磨削端面時(shí)冷卻介質(zhì)無(wú)法到達(dá)端面，機(jī)床原來(lái)帶有的側(cè)噴嘴在主噴嘴的后方（見(jiàn)圖3），機(jī)床設(shè)計(jì)的作用是修正砂輪時(shí)沖刷砂輪端面，它遠(yuǎn)離曲軸開(kāi)檔，無(wú)法參與磨削冷卻，因此我們對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造（見(jiàn)圖4）。

改造后的砂輪冷卻系統(tǒng)保證端面磨削時(shí)冷卻充分，減少了磨削過(guò)程中產(chǎn)生的磨削熱，避免燒傷。

圖3 冷卻系統(tǒng)改造前

圖4 冷卻系統(tǒng)改造后

（6）對(duì)磨削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)整：磨削參數(shù)的選擇合理與否對(duì)曲軸的磨削質(zhì)量起至關(guān)重要的作用，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定曲軸磨削加工在數(shù)控曲軸磨床上進(jìn)行，采用進(jìn)口砂輪38A46，通過(guò)程序控制曲軸磨削端面的進(jìn)給量在0.12mm/r范圍內(nèi)，磨R時(shí)進(jìn)給量轉(zhuǎn)變?yōu)?.015～0.020mm/r之內(nèi)，該工藝參數(shù)磨削的曲軸未發(fā)生磨削燒傷或磨削裂紋，生產(chǎn)效率也得到提高。

5.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)該曲軸工藝優(yōu)化：冷卻系統(tǒng)改造及對(duì)磨削參數(shù)的調(diào)整，解決了該曲軸連桿頸圓根開(kāi)檔磨削燒傷及磨削裂紋的問(wèn)題。在后續(xù)生產(chǎn)中未發(fā)現(xiàn)磨削裂紋。