陈连成
天津市祥威传动设备有限公司 天津市 300380
摘要：采掘设备中所用齿轮为重载齿轮，为了提高齿轮承载力和耐磨性，通常轮齿采取渗碳淬火的热处理方式，再经过成型磨齿加工而成。长期以来，在齿轮加工中存在一个突出的问题——磨削裂纹。本文对产生齿轮磨削裂纹的影响因素及措施进行分析。
关键词：齿轮磨削；裂纹；影响因素；措施
1齿轮磨削裂纹的形态特征
磨削裂纹特有的征状是裂纹与磨削道痕相垂直，一般情况下磨削裂纹细、密、浅。但在某些情况下（如深层渗碳的齿轮），在成型磨齿机上磨齿时，其磨削裂纹有会呈现出粗、深、长的特点，出现的磨削裂纹可能与磨削道痕平行分布。在产生磨削裂纹的齿面必定伴随磨削烧伤，对产生磨削裂纹的齿面经4％硝酸酒精浸蚀后，由于回火烧伤而呈深黑色，此处硬度明显降低。更严重的经浸蚀后在齿面黑色区域中间有白色区域，白色区域为磨削过程中产生再硬化（二次硬化），此处硬度很高。
2磨削裂纹的形成
对于渗碳淬火硬齿面齿轮，产生磨削裂纹的主要原因是热应力和组织应力在齿面表层上瞬时剧烈变化，造成表面组织内应力不平衡。（1）磨齿裂纹形成的内因是齿轮的渗碳淬火质量。齿轮在渗碳淬火过程中，在渗碳层中易形成网状和过多游离碳化物。这些物质硬度极高，磨削过程中磨削区的温度剧增，容易出现局部过热导致表面回火，使齿轮内部金相组织发生变化。（2）磨齿裂纹形成的外因成型磨齿产生的热应力。磨削过程会产生的大量热量，部分被冷却液带走，部分被传入齿轮齿面的浅表层内，并使浅表层温度快速升高。超过原始回火温度，即会导致回火烧伤。在磨削工况发生较严重异常时（比如变形较大或磨削进给量大等），齿面温度甚至达到相变温度，经冷却液冷激而导致二次淬火，形成严重的淬火烧伤，严重时会形成磨削裂纹。
3产生齿轮磨削裂纹的影响因素
3.1首次磨齿切削量
成型磨齿一般采用双面磨削，加工前由于留有磨量且热处理过程会有变形，由于机床对中时所测磨削余量不准确，造成首次切削量比较大，导致磨齿过程齿面热急增，引起齿面表层回火或二次淬火。
3.2成型磨齿余量分配
一般成型磨齿机是利用设备的在线测量系统，取点测量齿坯表面坐标，采用特定的几何拓扑算法，计算出齿坯余量，通过软件余量分配制定磨削程序。若余量分配不均匀，易导致局部量大，切削热量集中引起烧伤。
3.3渗碳浓度
齿轮渗碳浓度直接影响着磨削质量。试验证明在热处理和磨齿参数不变的情况下，表层含碳量从0.65%～0.75%提高到1.05%～1.15%时磨削烧伤面积增加近1倍。
3.4砂轮参数
通常砂轮粒度越细，砂轮磨粒间的空隙越小，在磨削时越易堵塞，同时参加切削的砂粒数量越多，磨削热增大，易引起磨削烧伤。
3.5冷却条件
冷却液和冷却方式，对磨削烧伤和裂纹有极其敏锐的影响。选择合适的冷却介质才能保证磨削过程中的充分冷却。
4防范齿轮磨削裂纹产生的措施
4.1控制齿轮材料
（1）齿轮钢渗层硬度及芯部淬透性。足够的渗层表面淬硬性是保证齿轮具有高强度和高耐磨性的基础，它与含碳量有关。渗碳钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬层深度的能力，主要取决于合金元素的类型和含量。Cr，Mo，Ni等合金元素配合起来使用，可以获得高淬透性效果。（2）齿轮芯部的强度和韧性。适宜的芯部强度和韧性，既可以保证齿轮的整体强度和渗层的抗剥落能力，又可以具有足够的抗冲击能力，防止轮齿的脆裂。在淬透的情况下，主要取决于钢的含碳量。（3）钢材的冶金质量。齿轮钢冶金质量对齿轮强度和工艺性能都有很大的影响，对齿轮芯部性能产生直接影响。钢材的纯净度是影响渗碳齿轮使用寿命的重要因素。
4.2满足热处理要求
对渗碳淬火的工件，应严格控制热处理工序。渗碳时最主要工艺因素是加热温度和保温时间。加热温度越高，则渗碳速度就越快，且扩散层的厚度越大，但温度过高会引起奥氏体晶粒长大，使材料变脆，故渗碳温度控制在870℃左右；渗碳后较高合金含量的奥氏体在冷却时不容易分解，可通过回火分解一部分，为淬火创造有利条件，所以增加渗碳后高温回火，在680℃保温3h，然后随炉冷却由于工件渗碳淬火后的马体组织处于膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力就进行回应力回火，回火可降低磨裂倾向。渗碳淬火后出炉不空冷至室温而立即低温回火的齿轮，表面残余压应力明显小于淬火后空冷至室温再低温回火的齿轮，这主要是因为淬火后出炉不空冷至室温立即低温回火的齿轮表面残余奥氏体量较多，表面相变时体积膨胀较小，因而表面残余压应力较小。因此齿轮渗碳淬火后，必须空冷至室温后才能回火，以确保齿轮表面有较大的残余压应力，避免产生磨削裂纹。
4.3从磨削工艺优化
4.3.1选择合适的磨削进给量
磨齿时砂轮的切削速度很高，所以渗碳淬火齿轮在磨削过程中不宜采用过高的砂轮线速度。要严格控制进给量，在磨削时建议粗磨时进给量取0.03～0.06mm，精磨时进给量0.02～0.03mm，同时应该考虑工件刚性和安装条件。
4.3.2减小磨齿余量
可从以下几方面采取措施：①控制热前滚齿公法线留量和轮齿表面光洁度。②热处理过程中采取防变形措施，减少零件热处理渗碳淬火过程中变形。③热后车渗碳层、加工基准过程中应取多点找正节圆，使齿面各部余量分布均匀。
4.3.3优化找正对中性
定期校准修正机床测头，确保测得磨削余量准确，避免首次切削量过大造成烧伤。对中时要保证测量足够数量的齿槽，齿槽对中位置如图1，从而尽可能地保证对中的准确性。
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一般测量不少于4个齿槽，当齿数增多测量槽数应相应增加，齿向方向不少于3个点。通常要求：齿数n＜20时，测量4个槽数；齿数n≥20时，齿数每增加5个测量齿槽增加1个，测量齿槽数N取：N=n/5+0.5（n为齿数，N四舍五入取整数）例如：当n=26时，测量齿槽N=6；n=43时，测量齿槽N=9。
4.3.4扩大公法线
磨齿对中后，为防止首次切削量过大，须扩大公法线加工，即给必要的安全距离，安全距离一般保证0.2～0.25mm以上，此时需考虑加工齿轮结构形状及变形后的最大磨削余量与最小磨削余量。
5结语
通过对成型磨齿裂纹形成原因分析和齿轮冷热加工工艺优化，大大降低了齿轮磨削裂纹概率，提高了齿轮加工质量，为企业创造了良好的经济效益。
参考文献：
[1]磨削裂纹的产生与防止[J].薄鑫涛.热处理.2019(01)
[2]齿轮零件磨削烧伤的危害、检测和预防[J].许红平,鲁建锋,吴伟明,徐嘉军.专用汽车.2019(01)