齒輪類零件作為機(jī)構(gòu)中的重要零部件，在滲碳淬火后往往要進(jìn)行磨削加工。在磨削加工工藝中，砂輪與零件的接觸區(qū)會(huì)因摩擦產(chǎn)生大量熱量，而大部分熱量會(huì)通過傳導(dǎo)進(jìn)入零件淺表層，容易導(dǎo)致表層金相組織的變化。若磨削參數(shù)設(shè)置和砂輪選擇不當(dāng)，在加工的過程中，會(huì)引起表層金相組織改變，并出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力，形成“磨削燒傷”。
零件磨削燒傷會(huì)使零件表層的耐磨性、耐腐蝕性和接觸疲勞強(qiáng)度降低，使用壽命大大降低，嚴(yán)重的情況下會(huì)出現(xiàn)裂紋，從而引發(fā)質(zhì)量問題。
本文通過研究淬火類齒輪的磨削燒傷現(xiàn)象，總結(jié)和分析了磨削燒傷的種類和危害，提出了針對(duì)不同種類燒傷的不同檢測(cè)方法，并在此基礎(chǔ)上探討了磨削燒傷的預(yù)防措施。
一、磨削燒傷的種類及危害
磨削燒傷的種類
齒輪零件磨削加工的過程中，接觸區(qū)域的瞬時(shí)高溫(可達(dá)1000℃)使得零件表面的金相組織產(chǎn)生局部變化。根據(jù)磨削燒傷表面組織結(jié)構(gòu)的不同，可以將磨削燒傷分成兩類。
回火燒傷：當(dāng)磨削接觸區(qū)表面層溫度顯著超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，而低于相變臨界溫度Ac1的時(shí)候，零件表面馬氏體產(chǎn)生回火，轉(zhuǎn)變成硬度較低的索氏體和屈氏體，這種燒傷稱為“回火燒傷”，如圖1(a)所示。此時(shí)該表面的硬度一般為HRC51~57。
二次淬火燒傷：淬火鋼的馬氏體組織在750℃~800℃以上的磨削高溫下轉(zhuǎn)變成奧氏體。如果冷卻速度較低，則會(huì)重新變?yōu)轳R氏體，零件表層比原淬火硬度稍有提高，一般在 HRC63 左右。但此變質(zhì)層性能穩(wěn)定性較差，脆性較高，二次淬火燒傷區(qū)域周圍通常伴有一圈嚴(yán)重的回火層，如圖1(b)所示。
圖1磨削燒傷
磨削燒傷和磨削裂紋
磨削燒傷的變質(zhì)層內(nèi)存在較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，容易導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。磨削燒傷不一定伴隨磨削裂紋出現(xiàn)，但是磨削裂紋通常都伴隨磨削燒傷產(chǎn)生。磨削裂紋的方向一般與砂輪的軸向進(jìn)給方向垂直，如圖2(a)所示。
齒面存在裂紋后，潤(rùn)滑油會(huì)侵入裂紋。當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒面的壓力使得裂紋內(nèi)的油壓升高，對(duì)裂紋存在擠脹的作用，導(dǎo)致齒面剝落甚至出現(xiàn)輪齒斷裂的現(xiàn)象，如圖2(b)所示。
圖2磨削燒傷和磨削裂紋
磨削燒傷的危害
磨削燒傷除了容易引發(fā)磨削裂紋，其本身的危害還主要包含以下幾個(gè)方面：
a. 較輕的磨削燒傷情況下，零件在使用一定時(shí)間后，表層硬度發(fā)生下降，軟化層明顯加深，使用壽命與無(wú)磨削燒傷的零件相比會(huì)縮短3～5年。
b. 嚴(yán)重的磨削燒傷情況下，以齒輪齒面為例，由于表面硬度降低，齒輪承受接觸應(yīng)力的能力顯著下降，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落、失效等質(zhì)量事故，使得齒輪失去正常的工作能力，如圖3(a)和(b)所示。
圏 3 齒面剝落情況
c. 由于齒面剝落，與之相嚙合的輪齒容易產(chǎn)生齒面凹坑等失效形式。圖 4為行星輪磨削燒傷引起齒面剝落后造成的齒圈齒面的凹坑破壞。
圖4 行星輪磨削燒傷齒面剝落后造成齒圈齒面凹坑
二、磨削燒傷的檢測(cè)方法
齒輪零件表面磨削燒傷后，使用性能和壽命將大大降低，甚至完全失去工作能力。因此，為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格的零件，需要對(duì)零件表面的磨削燒傷進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)磨削燒傷后表層組織的顏色、硬度以及酸腐敏感性的不同，可以采用觀色法、表層顯微硬度判別法和酸洗法進(jìn)行檢測(cè)。
觀色法
觀色法即觀察磨削后零件表面的“回火色”。隨著磨削接觸區(qū)溫度升高，磨削表面會(huì)形成氧化膜。由于膜層厚度不同，反射光的干涉狀態(tài)也不同，因此可以呈現(xiàn)出各種各樣的顏色，如黃色、草黃色、褐色、紫色等，即“回火色”。值得注意的是，表面沒有“回火色”并不意味著表層沒有燒傷。觀色法是最為直觀簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法，不需要采用專門的設(shè)備，但是檢測(cè)過程受到人為主觀因素的影響較大，因此不適合用于檢測(cè)要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。
酸洗檢查法
酸洗檢查的原理：酸洗檢查法是目前生產(chǎn)上普遍使用的方法，原理是利用鋼材不同的金相組織對(duì)酸蝕有不同的敏感性。回火馬氏體酸蝕后呈現(xiàn)灰色，如發(fā)生嚴(yán)重的回火燒傷，回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，酸蝕后呈現(xiàn)黑色;如發(fā)生二次淬火燒傷，金相組織為淬火馬氏體，酸蝕后呈現(xiàn)白色。
酸洗檢查的步驟：第一步：零件清洗，要求零件所有表面不允許有油污，零件清洗后經(jīng)過清水漂洗，零件表面若形成一層完整的水膜，可認(rèn)為已經(jīng)清洗干凈。若零件沒有清洗干凈，零件表面有水珠，酸洗后零件表面會(huì)出現(xiàn)花斑，干擾磨削燒傷的判斷。
第二步：酸洗，先用浸入硝酸中，時(shí)間為30s，拿出后浸入清水漂洗60s，然后浸入鹽酸中，時(shí)間為60s，拿出后浸入清水漂洗60s，再浸入氫氧化鈉溶液中浸泡60s，拿出后用清水漂洗60s，最后上油防銹。
第三步：判斷，根據(jù)酸洗后，仔細(xì)觀察齒面各種顏色，全灰色表示沒有磨削燒傷，黑色表示有磨削燒傷，并按FA、FB等級(jí)區(qū)分。
酸洗檢查法簡(jiǎn)單易行，在目前生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍。但是該方法會(huì)對(duì)被檢測(cè)零件的表面產(chǎn)生破壞，檢測(cè)后零件便無(wú)法正常使用，因此一般用于批量零件的抽樣檢驗(yàn)。
表層顯微硬度判別法
表層顯微硬度判別是法根據(jù)回火燒傷后表層硬度下降的原理，利用磨削表面的顯微硬度分布曲線作為是否發(fā)生磨削燒傷的判別依據(jù)。因回火燒傷的特點(diǎn)是表層硬度下降，因此可以簡(jiǎn)化燒傷的檢測(cè)方法，采用測(cè)量表層顯微硬度的方法，以測(cè)出的表層顯微硬度比集體硬度下降的程度來(lái)判別回火燒傷的程度。表層顯微硬度判別法反應(yīng)比較靈敏，而且數(shù)值可靠，應(yīng)用較為廣泛。
三、磨削燒傷的預(yù)防
磨削燒傷和磨削裂紋均因磨削熱過高引起，所以預(yù)防止燒傷和裂紋應(yīng)該從降低磨削熱的角度著手。影響磨削熱的因素主要有砂輪狀況、切削用量、冷卻條件、零件材料以及熱處理硬度等，其中機(jī)加工方面主要涉及到的是砂輪狀況、切削用量和冷卻條件。因此，零件的磨削燒傷應(yīng)該主要從這三方面來(lái)預(yù)防。
合理選用砂輪
砂輪的選擇主要是砂輪參數(shù)的選擇，而砂輪參數(shù)主要包括磨料、粒度、硬度和組織四個(gè)方面。
磨料：
磨料即砂輪的砂粒，是構(gòu)成砂輪的主要成分。筆者對(duì)于磨削滲碳淬火類零件，筆者一般采用單晶剛玉和鉻剛玉作為磨料的砂輪，代號(hào)SA和PA。相對(duì)于白剛玉磨料WA，單晶剛玉和鉻剛玉磨料更適合磨削淬火過后高硬度、高強(qiáng)度的齒面。
粒度：
粒度即磨料顆粒的大小，用每英寸篩網(wǎng)商都上的篩孔數(shù)量表示。粒度提高時(shí)，表面粗糙度將會(huì)提高，當(dāng)采用60粒的砂輪時(shí)，可以滿足大部分零件表面粗糙度要求。當(dāng)粒度達(dá)到80粒或者更高時(shí)，砂輪的容屑能力和散熱性能會(huì)大大降低，將會(huì)增加磨削燒傷和裂紋發(fā)生的可能性。
硬度：
硬度表示磨料從砂輪表面脫落的難易程度，這取決于磨料與粘合劑的粘結(jié)強(qiáng)度，與磨料本身的硬度是兩種不同的概念。硬度較高的砂輪，磨料不易脫落;硬度低的砂輪，磨料相對(duì)容易脫落。由于砂輪具有自銳性，磨料在磨削過程中會(huì)從砂輪表面脫落，若硬度太高，則砂輪在磨鈍后磨料仍難以及時(shí)脫落，容易產(chǎn)生更多的磨削熱。因此，宜選擇較軟的砂輪硬度，以便磨鈍后的砂粒能夠及時(shí)脫落。砂輪硬度由超軟到超硬，代號(hào)從D 到Y(jié)級(jí)。目前筆者選用較多的是J級(jí)。
組織：
組織表示磨料、粘合劑和氣孔三者之間的比例關(guān)系，磨料所占比例越大，則組織越緊密，氣孔越少;反之，組織疏松，氣孔較多。組織緊密的砂輪能磨出粗糙度較好的工件表面，而組織疏松的砂輪，因空隙大，可以保證磨削過程中容納磨屑，避免砂輪堵塞，減少磨削熱的大量產(chǎn)生。筆者選用較多的是微氣孔，組織為06的砂輪。
經(jīng)過七年來(lái)的不斷實(shí)踐和應(yīng)用，筆者采用較多的砂輪是某品牌微氣孔單晶剛玉砂輪，砂輪代號(hào)SA60J0645m/s, 同時(shí)使用SG磨料砂輪加工高精度齒輪。
合理設(shè)置切削用量
背吃刀量的選用是關(guān)系到磨削燒傷和裂紋的關(guān)鍵因素，背吃刀量增大，零件磨削力增大，會(huì)產(chǎn)生更多的磨削熱，容易引起磨削燒傷。對(duì)于體積大，熱處理后變形較大的零件，在利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行磨削時(shí)，對(duì)刀后還要人為放大空程量。對(duì)于數(shù)控磨齒機(jī)，在磨齒的過程中，還需要觀察功率顯示屏，防止因熱處理齒面變形導(dǎo)致局部背吃刀量過大。
對(duì)于磨齒機(jī)，切削速度主要是砂輪的轉(zhuǎn)速。對(duì)于同一片砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速增加，線速度相應(yīng)增加，磨削燒傷和磨削裂紋的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。在機(jī)床能力允許的前提下，選取砂輪線速度在30~35m/s 的范圍內(nèi)，即可滿足Ra0.8 的表面粗糙度要求。在磨削時(shí)，砂輪沿齒面的移動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)模數(shù)確定。
確保冷卻條件
冷卻液在磨削的過程中具有冷卻、清洗、潤(rùn)滑和防銹的作用，在磨削的過程中需要保證冷卻液的流量，同時(shí)定期查看冷卻液濾紙上的鐵屑情況。
根據(jù)砂輪的齒輪和零件的參數(shù)，調(diào)整冷卻液的沖洗位置，盡可能減少肉眼可見的磨削火花，使得冷卻效果達(dá)到最佳。
四、結(jié)語(yǔ)
通過對(duì)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的各種磨削燒傷的情況進(jìn)行了總結(jié)，歸納出磨削燒傷的種類以及可能產(chǎn)生的危害性，并分析了磨削燒傷的檢測(cè)方法。同時(shí)，從合理選用砂輪、合理設(shè)置切削用量、確保冷卻條件3個(gè)方面對(duì)磨削燒傷的防止措施進(jìn)行了較為全面的分析。本文的總結(jié)與分析為進(jìn)一步減少磨削燒傷問題，改善磨削質(zhì)量提供了較為全面的參考。