航空燃油泵齒輪延遲裂紋分析與預(yù)防

楊引鋒 許利利 陶保平

摘要：某型號燃油齒輪泵齒輪零件在裝配過程中發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷，經(jīng)查零件入庫前經(jīng)過磁力探傷檢查無裂紋。通過對缺陷進(jìn)行宏觀檢查、金相檢驗(yàn)，確定了裂紋缺陷屬于延遲時(shí)效裂紋。分析結(jié)果表明，延遲裂紋是磨削殘余應(yīng)力大于零件組織應(yīng)力造成的零件開裂。因此，降低磨削殘余應(yīng)力是防止延遲裂紋的有效措施。

關(guān)鍵詞：延遲裂紋;殘余應(yīng)力;氰化

0 ?引言

燃油齒輪泵齒輪副設(shè)計(jì)的精度高，齒輪精度一般達(dá)到五級或高于五級。齒輪軸徑要求的圓柱度及粗糙度也極高，以此來保證齒輪泵工作時(shí)軸徑處的最小臨界油膜厚度，消除運(yùn)動副部位的干摩擦。齒輪端面要求垂直度不大于0.005，以達(dá)到與滑動軸承端面的最佳密封效果，提高齒輪泵的容積效率。為了獲得設(shè)計(jì)圖紙要求的較高尺寸精度及粗糙度，在齒輪加工的最終工序，齒輪兩軸徑需在高精度外圓磨床上加工，而齒在成型磨齒機(jī)上加工。然而，在磨削獲得較高精度的同時(shí)會產(chǎn)生一些負(fù)面影響，比如，磨削裂紋、磨削燒傷等缺陷。這些缺陷一直是困擾產(chǎn)品質(zhì)量的難點(diǎn)，尤其是延遲裂紋的產(chǎn)生，嚴(yán)重降低了齒輪的使用壽命，是不允許存在的缺陷。

某型號齒輪零件按工藝流程，在交付入庫前進(jìn)行磁力探傷檢查未發(fā)現(xiàn)有裂紋，但在裝配過程中，發(fā)現(xiàn)某些零件的外圓端面、齒根處有微小的裂紋缺陷。引起延遲裂紋的原因有很多，本文針對延遲裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并制定控制措施，對提高齒輪零件壽命有重要的意義。

1 ?齒輪技術(shù)要求與工藝分析

1.1 技術(shù)要求

某型油泵齒輪零件結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，（軸類、盤類），均采用了合金結(jié)構(gòu)鋼12Cr2Ni4A。此材料是一種優(yōu)良的滲碳鋼，具有較好的淬透性，其經(jīng)滲碳并淬火加低溫回火后，不但表面具有較高的硬度，而且芯部的強(qiáng)度、韌度及塑性也較好，因此特別適合于制造各類軸類零件及齒輪零件。設(shè)計(jì)圖紙要求齒輪軸徑表面和齒側(cè)面的粗糙度是Ra0.4，端面平面度0.005，外花鍵氰化深度0.2～0.4mm，表面硬度HRC≥56，齒輪及兩端軸徑氰化深度0.4～0.9mm，表面硬度HRC≥61，中心硬度HRC32～43，均為二次氰化要求，部分零件無內(nèi)外花鍵時(shí)，只有一次氰化要求。

1.2 工藝分析

齒輪的加工工藝流程如表1所示。

零件經(jīng)過粗加工→熱處理→半精加工→磁力探傷→精加工→磁力探傷，工藝文件在進(jìn)行化學(xué)熱處理后端面磨削余量0.13～0.15mm，直徑單邊磨削余量為0.15～0.19mm。

2 ?裂紋缺陷與成因分析

2.1 裂紋缺陷分析

裂紋分布情況如圖（圖3、圖4）所示。

對產(chǎn)生裂紋的零件進(jìn)行磁粉探傷并結(jié)合放大鏡檢查（裂紋如圖5所示），并將裂紋垂直切開，用金相方法觀察裂紋截面形貌，裂紋與表面垂直，折線向基體內(nèi)擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)吻合良好，尾端尖銳，裂紋附近基體未見夾雜、氧化皮和疏松等原材料缺陷。

零件表面在磨削后，殘留有磨削拉應(yīng)力，當(dāng)磨削拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會產(chǎn)生磨削裂紋。磨削應(yīng)力可能會使齒輪表面立即產(chǎn)生裂紋，也可能延遲一段時(shí)間后產(chǎn)生裂紋，而齒輪入庫前的磁力探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明裂紋在磁力探傷檢查時(shí)并未生成，而是在庫存過程中經(jīng)過自然時(shí)效后顯現(xiàn)。

2.2 成因分析

2.2.1 零件氰化工藝的影響

該型齒輪泵齒輪類零件由于滲層的需要，都要經(jīng)過2次氰化處理，會影響零件組織以及表面應(yīng)力狀態(tài)。12Cr2Ni4A齒輪經(jīng)過830℃滲碳冷卻至室溫后，再經(jīng)過650℃高溫回火處理，回火溫度高，磨裂傾向大。這是由于高溫引起晶粒長大而形成的粗針狀馬氏體中含碳量的增加使熱導(dǎo)率減小，摩擦熱增加，因而也增加了熱應(yīng)力。加之表面硬度顯著提高（HRC≥61），半精磨削由于去余量較多，會使磨削產(chǎn)生很大的應(yīng)力。

2.2.2 磨削加工參數(shù)的影響

半精磨削、精磨加工過程中，由于齒輪與砂輪的相互運(yùn)動及磨削熱的影響，將會在齒輪中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，即軸向的殘余壓應(yīng)力和環(huán)向的殘余拉應(yīng)力，對裂紋萌生起到真正作用的是環(huán)向拉應(yīng)力。經(jīng)過對砂輪轉(zhuǎn)速、磨削量、進(jìn)刀量對殘余應(yīng)力影響的研究，結(jié)果是磨削量對環(huán)向殘余拉應(yīng)力的影響較小，對軸向殘余壓應(yīng)力的影響較大。磨削量增加，軸向殘余壓應(yīng)力會隨著增大，分布范圍也逐漸加深。隨著磨削速度和進(jìn)給量的增大，環(huán)向殘余拉應(yīng)力成線性增加。當(dāng)磨削參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，磨削過程中產(chǎn)生的熱量將使齒輪接觸部位周邊的溫度快速升高，在冷卻液的作用下，齒輪表面發(fā)生二次淬火，同時(shí)由于磨削升溫與冷卻存在時(shí)間差，期間產(chǎn)生的膨脹量及收縮量不同，以及齒輪與砂輪之間的相互運(yùn)動作用，這些都將是導(dǎo)致磨削齒輪過程中產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的因素。

經(jīng)對出現(xiàn)裂紋的理化分析，認(rèn)為裂紋由于磨削應(yīng)力釋放造成零件局部輕微開裂，其與加工過程中設(shè)備、砂輪、切削參數(shù)的選擇有直接關(guān)系。因此，砂輪的選擇以及加工參數(shù)的調(diào)整的不合理、零件散熱的不均勻也會導(dǎo)致表面應(yīng)力的增大以及燒傷裂紋。

2.2.3 冷卻液的影響

磨削加工時(shí)，冷卻液不僅對零件表面有降溫冷卻的作用，而且具有防止砂輪孔隙堵塞、沖洗磨削金屬沫等的清潔作用，這樣可以防止溫度升高，減少磨粒與零件間的摩擦，進(jìn)而保證零件精度，避免磨削缺陷等作用。磨削時(shí)冷卻不充足，磨削產(chǎn)生的磨削熱很大程度上會使零件表層奧式體化，進(jìn)而再次淬火形成淬火馬氏體，在零件表面產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力。產(chǎn)生的組織應(yīng)力和磨削產(chǎn)生的熱應(yīng)力迭加導(dǎo)致零件出現(xiàn)磨削裂紋。在齒輪軸的轉(zhuǎn)角臺階處、齒根處，磨削時(shí)冷卻液冷卻補(bǔ)充分，散熱條件相對較差，引起磨削燒傷及磨削裂紋等缺陷。

3 ?改進(jìn)措施

①根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因，重新對齒輪的工藝流程進(jìn)行梳理分析，發(fā)現(xiàn)流程上沒有熱處理前的預(yù)備熱處理，在熱處理后半精磨削工序加工后缺少時(shí)效工序?，F(xiàn)將該型號齒輪工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)化，粗加工后增加穩(wěn)定化處理，氰化后增加半精磨工序，將磨削余量進(jìn)行二次分解，磨削后增加時(shí)效工序，消除磨削應(yīng)力。

②零件在之前磨削加工過程中，砂輪的選擇及加工參數(shù)不合適。半精磨削在數(shù)控萬能磨床S30上加工，將原砂輪更換為PA100KV鉻剛玉砂輪進(jìn)行磨削，自銳性好，鋒利度高。精磨在數(shù)控萬能磨床S21上加工，同樣選用鉻剛玉的砂輪PA120KV。對于磨削參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化，最終的磨削參數(shù)如表2所示：

③磨削熱是產(chǎn)生磨削裂紋的根本原因，因此降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。數(shù)控磨床有2組冷卻油管，在使用過程中，應(yīng)將一組準(zhǔn)確噴射在砂輪參與切削部位，噴射方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反，保證及時(shí)沖出粘在砂輪上的砂輪沫與金屬屑，將另一組噴射在磨削區(qū)域，噴射方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相同，便于冷卻油通過砂輪的離心力到達(dá)磨削區(qū)域，以保證磨削區(qū)域的充分冷卻。

4 ?結(jié)論

①磨削裂紋產(chǎn)生的根本原因是金屬表面在磨削過程中產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)被冷卻介質(zhì)帶走，表層材料被重新回火或形成新生的淬火馬氏體，使表層產(chǎn)生很高的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力形成拉應(yīng)力所致。

②裂紋產(chǎn)生的直接原因是工藝路線與加工參數(shù)不合理，精加工時(shí)磨削殘余應(yīng)力較大，為裂紋的萌生提供了必要條件。

③增加化學(xué)熱處理前的預(yù)備熱處理，磨削后進(jìn)行時(shí)效處理，能進(jìn)一步降低磨削殘余應(yīng)力。控制磨削進(jìn)刀量，砂輪轉(zhuǎn)速，工件轉(zhuǎn)速能有效避免早期顯微裂紋。

④降低磨削殘余應(yīng)力，是消除延遲裂紋的有效措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]王立濤，柯映林，黃志剛，等.航空構(gòu)件銑削殘余應(yīng)力分布規(guī)律的研究[J].航空學(xué)報(bào)，2003，24（3）：286-288.

[2]丁惠麟，金榮芳.機(jī)械零件缺陷、失效分析與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]張玉庭.熱處理技師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：楊引鋒（1985-），女，陜西戶縣人，本科，中級工程師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)燃油附件齒輪件工藝技術(shù)研究，精密承力件工藝技術(shù)研究，精密密封件工藝技術(shù)研究。