數(shù)控機(jī)床輪齒的斷裂失效分析

劉偉,王明忠

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系,安徽 馬鞍山,243031;2.福建廣播電視大學(xué) 機(jī)械工程系,福建 福州,350013)

某數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行3年后發(fā)現(xiàn)齒輪箱有嚴(yán)重異響,內(nèi)窺鏡檢測發(fā)現(xiàn)中齒軸小齒齒面開裂,打開齒輪箱后發(fā)現(xiàn)齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。輪齒材料為18CrNiMo7-6,表面經(jīng)滲碳淬回火處理。該齒輪的加工工藝為:下料、鍛造、正火、機(jī)加工、滲碳淬火+低溫回火以及磨削加工[1]。雖然國內(nèi)目前齒輪斷裂的現(xiàn)象較為常見,且關(guān)于這方面的研究報(bào)道較多,但是不同齒輪斷裂的成因和應(yīng)用環(huán)境并不相同。有裝配問題,如高海東等研究發(fā)現(xiàn)軸向間隙導(dǎo)致某變速箱齒輪斷裂[2];有夾雜問題,如彭碧草等發(fā)現(xiàn)2.5級D類夾雜物是導(dǎo)致某電廠磨煤機(jī)減速機(jī)中速齒輪斷裂的主要原因[3];有生產(chǎn)工藝問題,如樊潤君等通過分析研究發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致某大型天線傳動箱軸齒輪斷裂[4]。通過對齒輪進(jìn)行理化檢測與分析[5],本文找到了該數(shù)控機(jī)床齒輪斷裂的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

圖1為數(shù)控機(jī)床斷齒的宏觀形貌。斷齒的斷面上沒有明顯塑性變形,斷口上均可見清晰地貝紋狀疲勞停止弧線,屬于交變應(yīng)力作用下的疲勞斷裂[6]。由疲勞弧線特征判斷,裂紋起始于近齒腰的表皮下方,具體位置為距輪齒端面120 mm、齒頂7 mm和齒面下方6 mm的位置。試樣的疲勞開裂形態(tài)幾乎布滿斷口,表明所受循環(huán)應(yīng)力不大[7]。在輪齒發(fā)生開裂后,高速軸仍在工作,受斷口上方嚙合面承載力降低或影響,斷口下方嚙合面載荷大幅增加,致使表面形成多條平行于主斷面的小疲勞裂紋,在與主斷面匯合后掉落[8–10]。

圖1 數(shù)控機(jī)床斷齒的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分

在齒輪上取樣,采用ICP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行材料的化學(xué)成份分析,結(jié)果見表1。由表1可知,發(fā)生斷裂的數(shù)控機(jī)床齒輪的化學(xué)成分符合GB/T 3077標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 數(shù)控機(jī)床斷齒的化學(xué)成分 /%(w/w)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論窗體頂端

2.1 斷口微觀形貌和能譜分析

在掃描電鏡下觀察試樣清洗后的斷口微觀形態(tài)(圖2)。試樣起裂區(qū)觀察到較大尺寸非金屬夾雜物,長×寬=約3 120 μm×478 μm,能譜分析表明,試樣起裂處夾雜物成分主要為鋁的氧化物(圖2b)。數(shù)控機(jī)床斷齒的擴(kuò)展區(qū)域斷面存在磨損(圖2c),但仍可觀察到密集的疲勞條紋(圖2d)。

圖2 斷口微觀形貌和能譜結(jié)果

進(jìn)一步對起裂區(qū)夾雜物進(jìn)行元素面掃描分析,測試結(jié)果見圖3。由測試結(jié)果可知,夾雜物主要含有Al和O元素,結(jié)合前述能譜分析結(jié)果可知,數(shù)控機(jī)床斷齒起裂區(qū)的夾雜物主要為鋁的氧化物。斷口微觀形態(tài)和能譜分析結(jié)果表明,數(shù)控機(jī)床斷齒的疲勞斷口起始于較大尺寸的非金屬夾雜物,夾雜物成分以鋁的氧化物為主。

圖3 數(shù)控機(jī)床斷齒起裂區(qū)面掃描測試結(jié)果

2.2 金相組織

垂直于斷齒斷面加工金相試樣,并磨拋后觀察夾雜物形貌(圖4),數(shù)控機(jī)床斷齒中以鋁的氧化物類夾雜為主,非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示,其中,A類為硫化物類、B類為氧化鋁類、C類為硅酸鹽類、D類為秋裝氧化物類、Ds類為單顆粒球狀類。

表2 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

數(shù)控機(jī)床斷齒的金相組織如圖5所示。斷齒的基體組織為回火馬氏體組織,輪齒表面滲碳層組織為針狀馬氏體+少量碳化物,齒根組織、齒頂組織和齒腰組織都未見異常。

圖5 數(shù)控機(jī)床斷齒的金相組織

2.3 硬度測試

在數(shù)控機(jī)床齒輪上截取橫截面金相試樣,并測試齒腰位置垂直于表面向內(nèi)測試硬度深度分布,結(jié)果見表3。參照GB T 9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》標(biāo)準(zhǔn)中以硬度值達(dá)到550 HV處至表面的距離為滲碳層深度[12],則試樣滲碳層深度約2.52 mm,滿足數(shù)控機(jī)床齒輪的技術(shù)要求(2.1～2.7mm/550HV1)。

表3 數(shù)控機(jī)床齒輪的顯微硬度測試結(jié)果(HV1)

從斷齒斷面宏觀形貌中可大致判定裂紋起源,微觀形貌和能譜分析發(fā)現(xiàn),裂紋起始位置存在鋁的氧化物夾雜;而采用金相法檢驗(yàn)數(shù)控機(jī)床斷齒的夾雜物時(shí),金相法檢驗(yàn)鋼中夾雜物是在隨機(jī)截取的特定截面進(jìn)行,只可大致反應(yīng)夾雜物的含量、分布情況,并不一定能檢查到鋼中最大尺寸的夾雜物,而斷口上往往可觀察到大尺寸夾雜物,因?yàn)榇蟪叽鐘A雜物割斷基體的連續(xù)性,改變了應(yīng)力狀態(tài),且局部形成嚴(yán)重應(yīng)力集中,容易萌生裂紋。

3 結(jié)論

(1)數(shù)控機(jī)床輪齒的化學(xué)成分符合材料的規(guī)定要求;金相組織未見異常,滲碳層深度滿足要求。

(2)數(shù)控機(jī)床齒輪的失效方式為疲勞斷裂,裂紋起始于輪齒內(nèi)部的大尺寸的非金屬夾雜物。大尺寸夾雜物破壞了基體的連續(xù)性,形成嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中,在交變應(yīng)力作用下,缺陷位置萌生裂紋并疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂。

綜上所述,本文案例中數(shù)控機(jī)床輪齒的斷裂主因是生產(chǎn)過程中殘留的大尺寸夾雜物,因此在加工與制備過程中,應(yīng)盡量控制夾雜物含量并避免產(chǎn)生大尺寸非金屬夾雜物。