磨削裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

張朋鑫

西安慶安航空機(jī)械制造有限公司 陜西西安 710077

1 序言

經(jīng)熱處理淬火的碳素工具鋼零件，在磨削時(shí)與磨削方向基本垂直的表面常常出現(xiàn)大量的較規(guī)則排列的裂紋，它不僅影響零件的外觀，而且更重要的是直接影響零件的質(zhì)量。

為了使零件獲得較好的表面質(zhì)量、較高的精度，大多數(shù)零件都會(huì)采用磨削加工。近年來(lái)，轉(zhuǎn)包零件有大量齒輪、軸類零件，很多都要求進(jìn)行淬火處理，之后再進(jìn)行磨削，但在磨削過(guò)程中，常常出現(xiàn)磨削裂紋，嚴(yán)重影響了工件質(zhì)量，甚至出現(xiàn)報(bào)廢現(xiàn)象，對(duì)零件的準(zhǔn)時(shí)交付產(chǎn)生了負(fù)面影響。

2 外圓磨削的常見(jiàn)方法

磨削是砂輪表面的磨粒對(duì)工件表面的切削、劃溝和滑擦的綜合作用過(guò)程，加工過(guò)程中同時(shí)參與切削運(yùn)動(dòng)的顆粒多，能切除極薄極細(xì)的切屑，因而加工精度高，表面粗糙度值小。磨削加工作為一種精加工方法，在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前常見(jiàn)的磨削方法主要有外圓磨削、內(nèi)孔磨削和平面磨削3種。

外圓磨削可以在普通外圓磨床、萬(wàn)能外圓磨床或無(wú)心磨床上進(jìn)行，通常作為半精車后的精加工。在實(shí)際應(yīng)用中，外圓磨削的常用方法主要有以下4種[1]。

（1）縱磨法 磨削時(shí)，工件作圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨工作臺(tái)作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使砂輪能磨出全部表面。每一縱向行程或往復(fù)行程結(jié)束后，砂輪作一次橫向進(jìn)給，把磨削余量逐漸磨去?？梢阅ハ骱荛L(zhǎng)的表面，磨削質(zhì)量好。特別是在單件、小批生產(chǎn)以及精磨時(shí)，一般都采用縱磨法。

（2）橫磨法（切入磨法） 工件無(wú)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用一個(gè)比需要磨削的表面還要寬一些（或與磨削表面一樣寬）的砂輪，以很慢的進(jìn)給速度向工件橫向進(jìn)給，直到磨掉全部加工余量。橫磨法主要用于磨削長(zhǎng)度較短的外圓表面以及兩邊都有臺(tái)階的工件。

（3）深磨法 特點(diǎn)是全部磨削余量（直徑上一般為0.2～0.6mm）在一次縱走刀中磨去。磨削時(shí)，工件圓周進(jìn)給速度和縱向進(jìn)給速度都很慢，砂輪前端修整成階梯形或錐形。深磨法的生產(chǎn)率約比縱磨法高一倍，精度能達(dá)到IT6級(jí)，表面粗糙度值Ra為0.4～0.8μm。但修整砂輪較復(fù)雜，只適用于大批量生產(chǎn)、磨削允許砂輪越出被加工面兩端較大距離的工件。

（4）無(wú)心外圓磨削法 工件放在磨削砂輪和導(dǎo)輪之間，下方有一托板。磨削砂輪（也稱為工作砂輪）旋轉(zhuǎn)，起切削作用。導(dǎo)輪是磨粒極細(xì)的橡膠結(jié)合劑砂輪。工件與導(dǎo)輪之間的摩擦力較大，從而使工件以接近于導(dǎo)輪的線速度回轉(zhuǎn)。無(wú)心外圓磨削在無(wú)心外圓磨床上進(jìn)行。無(wú)心外圓磨床生產(chǎn)率很高，但調(diào)整復(fù)雜，不能校正套類零件孔與外圓的同軸度誤差，不能磨削具有較長(zhǎng)軸向溝槽的零件，以防外圓產(chǎn)生較大的圓度誤差。因此，無(wú)心外圓磨削多用于細(xì)長(zhǎng)光軸、軸銷和小套類等零件的大批量生產(chǎn)。

3 磨削裂紋及其產(chǎn)生的原因

轉(zhuǎn)包零件多數(shù)都通過(guò)熱處理的方式來(lái)滿足技術(shù)要求，隨后要進(jìn)行車削或磨削加工處理，得到符合要求的成品零件。尤其是經(jīng)過(guò)化學(xué)熱處理后并進(jìn)行淬火的零件，必須對(duì)其表面進(jìn)行加工，其中外圓磨削是常用的加工工藝。但常因加工不當(dāng)而出現(xiàn)磨削裂紋，一般發(fā)生于淬火后應(yīng)力過(guò)大或未及時(shí)回火，以及回火不充分（不足）或殘余奧氏體過(guò)多時(shí)。即使在正常條件下進(jìn)行磨削，也會(huì)造成磨削裂紋的產(chǎn)生。

磨削裂紋在零件的研磨表面可用肉眼或磁粉探傷發(fā)現(xiàn)，通常有3種類型：呈現(xiàn)為細(xì)小網(wǎng)絡(luò)狀分布的裂紋；裂紋呈細(xì)小長(zhǎng)條狀，并與砂輪進(jìn)給方向呈交叉分布；呈細(xì)小點(diǎn)狀分布，類似蠕蟲(chóng)等。垂直于裂紋切開(kāi)進(jìn)行金相分析，一般會(huì)發(fā)現(xiàn)表面有一層黑色的回火層，如磨削壓力過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生一層白色硬化層，裂紋的深度在回火層內(nèi)，與表面裂紋垂直，在尖角處呈交叉狀。

圖1為磨削裂紋的兩種形態(tài)[2]。淬火零件在最后的磨削過(guò)程中，如果因磨削參數(shù)選擇不當(dāng)，如磨削砂輪過(guò)硬、磨削量過(guò)大及冷卻條件不良等，造成砂輪在磨削過(guò)程中隨著磨削熱的產(chǎn)生而升溫，在100℃時(shí)表面發(fā)生第一次收縮，但零件的內(nèi)部仍處于膨脹狀態(tài)，因此表層受張應(yīng)力的作用，發(fā)生龜裂（見(jiàn)圖1a），裂紋與磨削進(jìn)給方向垂直，呈平行線狀，深度在0.1～0.2mm。當(dāng)表面的磨削溫度達(dá)到300℃時(shí)，將發(fā)生第二次收縮，表面呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋（見(jiàn)圖1b）。裂紋的檢測(cè)采用熱酸蝕法，由于其顯微組織為托氏體或索氏體，因此嚴(yán)格控制磨削工藝參數(shù)、對(duì)零件的表面在應(yīng)該冷卻時(shí)進(jìn)行充分冷卻，并及時(shí)修正砂輪等，則完全可以避免磨削裂紋的產(chǎn)生。

圖1 磨削裂紋的兩種形態(tài)

轉(zhuǎn)包客戶MOOG的某零件，材料為440C馬氏體型不銹鋼，硬度高，加工難度大。熱處理后硬度達(dá)到58～65HRC，熱處理過(guò)程中基體產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。工藝規(guī)程中30工序?yàn)榫庸つゴ补ば?，采用兩頂?shù)姆绞竭M(jìn)行磨削，磨削過(guò)程中有嚴(yán)重磨削裂紋現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致零件返工或者報(bào)廢。

磁粉探傷顯示出現(xiàn)的磨削裂紋如圖2所示，磨削裂紋的方向必定與磨削方向垂直，其形狀呈龜裂或龜甲狀，而淬火裂紋只是呈斷裂形狀。由于兩種裂紋產(chǎn)生的原因不同，因此其形態(tài)不同。磨削裂紋如圖3所示，淬火裂紋如圖4所示。

圖2 磁粉探傷顯示出現(xiàn)的磨削裂紋

圖3 磨削裂紋

圖4 淬火裂紋

淬火裂紋發(fā)生在截面尺寸急劇變化的部位、呈尖銳凹凸形的凸角處及有孔洞的部位等，此外，打標(biāo)記及刻印所引起的裂紋也可斷裂發(fā)展為淬火裂紋。轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中也遇到過(guò)淬火裂紋，客戶EATON的某零件材料也是440C，在淬火、冷處理和回火處理后，基體產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，當(dāng)淬火溫度偏高時(shí)，由于碳化物的溶解更充分，因此在淬火冷卻過(guò)程中，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中將產(chǎn)生更大的組織應(yīng)力；同時(shí)由于淬火后未按照標(biāo)準(zhǔn)要求在30min之內(nèi)轉(zhuǎn)冷處理，冷處理后未在10min之內(nèi)回火等不當(dāng)操作，會(huì)使零件的組織應(yīng)力不能得到及時(shí)的消除，因此零件在內(nèi)部組織應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生淬火裂紋（見(jiàn)圖5）。

圖5 淬火裂紋

磨削裂紋的特征為裂紋細(xì)而淺，呈龜裂狀或較有規(guī)則地排列成輻射狀，垂直于磨削方向，嚴(yán)重地呈網(wǎng)狀裂紋。龜裂狀磨削裂紋如圖6所示，其產(chǎn)生的原因如下。

圖6 龜裂狀磨削裂紋

1）零件磨削溫度達(dá)到150～200℃時(shí)，馬氏體分解，零件表層的體積縮小，而內(nèi)部未受熱，使表層承受拉應(yīng)力而開(kāi)裂。當(dāng)磨削溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，表層變?yōu)樗魇象w或托氏體組織，表層又發(fā)生體積的收縮，表層的拉應(yīng)力超過(guò)了脆斷抗力，零件表面出現(xiàn)龜裂。

2）當(dāng)磨削后的表面溫度在800～900℃時(shí)，其溫升速度達(dá)到600℃/s，如冷卻不充分，磨削產(chǎn)生的熱量足以使零件的表面薄層重新加熱到奧氏體狀態(tài)，再次進(jìn)行淬火處理，形成了淬火馬氏體，造成體積的膨脹。

3）表層中有殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘鸟R氏體組織。

由于磨削形成的熱量使零件的表面溫度升高，此時(shí)產(chǎn)生的磨削拉應(yīng)力、組織應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用，最終導(dǎo)致了磨削裂紋的產(chǎn)生。

經(jīng)過(guò)分析，確定裂紋是磨削裂紋后，要進(jìn)一步判斷和確定是砂輪的磨削工藝不當(dāng)，還是零件本身的組織不良或回火不足等原因造成的。要對(duì)裂紋附近的組織進(jìn)行深入的檢查，首先是有無(wú)粗大的滲碳體網(wǎng)絡(luò)，其次是有無(wú)過(guò)多的殘余奧氏體，有無(wú)表面磨削燒傷等，這樣可得出正確的結(jié)論。

磨削燒傷是指零件表面因?yàn)槔鋮s不良或磨削量過(guò)大，造成零件表面出現(xiàn)退火現(xiàn)象。其檢查方法為酸腐蝕檢測(cè)，如腐蝕面混有明亮斑點(diǎn)（馬氏體組織）或暗斑點(diǎn)（托氏體或索氏體組織），則表明表面已經(jīng)燒傷。一旦出現(xiàn)這種缺陷，將造成表面硬度不均，零件的耐磨性和強(qiáng)度明顯降低，甚至?xí)霈F(xiàn)廢品，無(wú)法滿足零件的工作要求，因此在零件的實(shí)際磨削過(guò)程中，這是絕對(duì)不允許的。熱處理后的零件在后續(xù)的磨削加工過(guò)程中，因?yàn)槟ハ鞑划?dāng)均會(huì)出現(xiàn)磨削退火和產(chǎn)生磨削裂紋，不同粒度的砂輪對(duì)不同材料、不同硬度的零件，可能產(chǎn)生不同類別的磨削裂紋。

零件在磨削過(guò)程中表面發(fā)熱，隨后進(jìn)行快速冷卻（激冷）是造成零件表面開(kāi)裂的主要原因，通常是砂輪長(zhǎng)久磨削后，零件表面被砂粒和金屬屑堵塞，表面產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱，瞬間溫度在850℃以上，達(dá)到淬火加熱溫度，激冷后產(chǎn)生表面淬火，造成淬火開(kāi)裂。磨削熱是砂輪與零件接觸下產(chǎn)生的，它同砂輪的種類、粒度和零件的材質(zhì)等有直接的關(guān)系，零件硬度提高，則硬質(zhì)碳化物的數(shù)量增多，造成熱導(dǎo)率降低，因此磨削熱量使零件的表面溫度升高，例如高碳鋼或含有鉻、鉬等的合金鋼，在磨削過(guò)程中如參數(shù)選擇不當(dāng)，則很容易造成磨削裂紋的產(chǎn)生。

4 預(yù)防措施

材料的原始組織狀態(tài)對(duì)磨削質(zhì)量也有一定的影響，如組織中出現(xiàn)三級(jí)以上的網(wǎng)狀碳化物，則在磨削過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋也呈網(wǎng)狀分布。另外，材料熱處理后組織不同，則對(duì)產(chǎn)生磨削退火和磨削裂紋具有不同的影響。一般規(guī)律為組織中碳化物越多，其熱傳導(dǎo)性能越差，硬度愈高，零件的脆性愈嚴(yán)重，磨削開(kāi)裂的傾向就越嚴(yán)重。而零件中存在較多的殘余奧氏體組織，零件表面的硬度高，也容易產(chǎn)生磨削裂紋。零件在磨削過(guò)程中，除了材料和熱處理工藝等因素外，磨削加工的條件、工藝參數(shù)的改變等均可能導(dǎo)致產(chǎn)生磨削裂紋。淬火零件產(chǎn)生磨削裂紋的原因、發(fā)展傾向和改進(jìn)措施見(jiàn)表1，磨削裂紋和工藝過(guò)程的關(guān)系及其預(yù)防措施見(jiàn)表2。

表1 淬火零件產(chǎn)生磨削裂紋的原因、發(fā)展傾向和改進(jìn)措施

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

消除磨削裂紋的措施主要是通過(guò)更換磨削砂輪、增加砂輪修整頻次、提高冷卻性能及改善加工參數(shù)等幾個(gè)方面進(jìn)行。以MOOG的某零件（見(jiàn)圖2）磨削裂紋問(wèn)題的改進(jìn)為例，由于該零件材料440C馬氏體型不銹鋼為高強(qiáng)度刃具鋼，含碳量稍高，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂梢垣@得較高的屈服強(qiáng)度，硬度可以達(dá)到58HRC，屬于最硬的不銹鋼之列，因此根據(jù)現(xiàn)有條件（白剛玉砂輪，顆粒尺寸80μm），需在砂輪修整頻次和加工參數(shù)方面進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)查詢資料，將磨削砂輪的修整頻次由加工5件/次提高到加工2件/次，同時(shí)將砂輪進(jìn)給速度由粗加工0.15mm/min、半精加工0.10mm/min及精加工0.05mm/min，改為粗加工0.10mm/min、半精加工0.06mm/min和精加工0.03mm/min，同時(shí)為提高加工效率，減少磨削裂紋的產(chǎn)生，將相對(duì)線速度由25m/s提高至35m/s。

經(jīng)過(guò)工藝參數(shù)改進(jìn)，對(duì)后續(xù)加工零件進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)，無(wú)磨削燒傷現(xiàn)象發(fā)生，零件加工合格，保證了零件的正常流轉(zhuǎn)，極大地提高了生產(chǎn)效率，為公司一人多機(jī)及提質(zhì)增效提供了幫助。

6 結(jié)束語(yǔ)

磨削加工在機(jī)械加工中占有相當(dāng)重要的位置。對(duì)于淬火后工件表面的加工有較高的尺寸精度和表面粗糙度要求，主要是靠磨削來(lái)保證。產(chǎn)生磨削裂紋的原因是復(fù)雜的，因素很多，例如材料的物理性能、化學(xué)成分、毛坯缺陷、熱處理不當(dāng)及加工方法不當(dāng)?shù)?，都?huì)在磨削時(shí)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。磨削裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)槟ハ鳠崴?，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。應(yīng)該從選用合適粒度的磨削砂輪、合理的磨削參數(shù)及最佳的冷卻系統(tǒng)入手，來(lái)減少磨削加工裂紋帶來(lái)的負(fù)面影響。