蝸桿是機(jī)床回轉(zhuǎn)部件中的重要零件,工作時(shí)蝸桿螺旋表面與蝸輪齒面相對(duì)滑動(dòng),容易發(fā)生磨損,因此蝸桿常用滲碳鋼經(jīng)滲碳淬火處理,以獲得較高的硬度,防止蝸桿螺旋表面發(fā)生磨損。蝸桿類零件的精度要求很高,加工工藝復(fù)雜、工序長(zhǎng),如在加工過程中出現(xiàn)問題,將造成重大損失。我公司一種蝸桿零件在磨削加工時(shí)出現(xiàn)磨削裂紋,導(dǎo)致零件報(bào)廢,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度。
1.蝸桿材料及主要工藝流程
此蝸桿材料為20CrMnTiH,形狀如圖1所示,熱處理要求為滲碳淬火,滲碳層深1.1~1.5mm,淬火后表面硬度58HRC。
圖 1
蝸桿加工工藝流程:下料→鍛造→正火→粗車→除應(yīng)力→精車→滲碳→螺紋處去碳→淬火→粗磨→無損檢測(cè)→時(shí)效→精磨。
熱處理過程:鍛件正火→滲碳→淬火→低溫回火→矯直→除應(yīng)力→低溫時(shí)效。熱處理工藝過程曲線如圖2所示。
圖 2
滲碳淬火后,經(jīng)檢驗(yàn)碳化物1級(jí),滲碳層深1.32mm,表面硬度59~60HRC。
2.裂紋現(xiàn)象描述
粗磨后蝸桿齒面出現(xiàn)磨削裂紋,裂紋極細(xì),直線狀,深度較淺,形態(tài)為通常所說的“發(fā)紋”,裂紋不平行,呈散射線狀,如圖3所示。
圖 3
3.磨削裂紋產(chǎn)生原因分析
磨削裂紋與一般淬火裂紋明顯不同,淬火裂紋粗而深,數(shù)量少;磨削裂紋只發(fā)生在磨削面上,數(shù)量較多,深度較淺,且深度基本一致。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向呈條狀裂紋。此蝸桿齒面是螺旋狀曲面,磨削方向如圖3中箭頭所示,裂紋垂直于磨削方向,符合磨削裂紋的特征。
熱處理后的零件在磨削加工時(shí),由于砂輪變鈍未及時(shí)修整、磨削深度過大以及冷卻不充分等原因,可使磨削區(qū)內(nèi)瞬間高溫達(dá)到400~1500℃,從而發(fā)生磨削燒傷和磨削裂紋,引起零件表面組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力、力學(xué)性能等發(fā)生變化。
磨削裂紋的形成與工件硬度有關(guān),硬度小于55HRC的工件雖可能發(fā)生燒傷,但產(chǎn)生磨削裂紋的情況極少,60HRC以上的工件,都會(huì)使磨削裂紋發(fā)生的可能性大為增加。該零件實(shí)測(cè)硬度59~60HRC,大大增加了產(chǎn)生磨削裂紋的傾向。一方面,磨削條件不當(dāng)或磨削不規(guī)范時(shí),被磨削的表面首先會(huì)形成一個(gè)個(gè)較強(qiáng)烈的燒傷中心,造成不均勻的熱應(yīng)力,在交替的高溫與急冷下應(yīng)力值漸增,應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí),被磨削的表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋。另一方面,表層滲碳淬火組織中的殘留奧氏體,在磨削時(shí)受強(qiáng)烈的磨削熱的影響及冷卻液的冷卻,將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾律鸟R氏體,引起零件表面局部體積膨脹,加大了零件表面拉應(yīng)力,導(dǎo)致應(yīng)力集中,繼續(xù)磨削則容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生。此外,新生的馬氏體脆性較大,磨削也容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生。
此蝸桿螺旋表面在磨削時(shí),砂輪與零件的接觸面積較大,一方面產(chǎn)生的磨削熱大,另一方面冷卻液也不容易進(jìn)入磨削區(qū)域?qū)δハ髅孢M(jìn)行有效降溫,因此蝸桿螺旋表面由于磨削而產(chǎn)生的熱量,足以使磨削表面薄層重新奧氏體化,隨后再次淬火成為淬火馬氏體;表面層的殘留奧氏體也會(huì)在急熱急冷的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力,再加上磨削所形成的熱量使零件表面薄層的溫度升高極快,這種組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的迭加就會(huì)導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。
從以上分析知道,產(chǎn)生磨削裂紋的根本原因在于有應(yīng)力存在,要防止發(fā)生磨削裂紋,就要減少和消除零件表面的各種應(yīng)力。
4.磨削裂紋的防止措施
(1)熱處理方面
殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿肆慵砻娴慕M織應(yīng)力,因此,應(yīng)降低殘留奧氏體的含量。過高的淬火溫度使淬火后殘留奧氏體量增加,可適當(dāng)降低淬火溫度,淬火溫度由原先840℃降低至820℃,減少殘留奧氏體的形成;同時(shí)增加-60℃×2h的冰冷處理,促使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,并在隨后的低溫回火中轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體組織,防止磨削時(shí)產(chǎn)生組織應(yīng)力。粗精磨之間的低溫時(shí)效時(shí)間由8h延長(zhǎng)至12h,充分消除磨削造成的應(yīng)力。
(2)磨削工藝方面
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。原磨削工藝已分粗精磨,現(xiàn)在選用粒度較粗的軟砂輪進(jìn)行粗磨,及時(shí)清除砂輪表面積屑,減少磨削深,增加磨削次數(shù),減小工作臺(tái)速度,可以降低磨削熱。然后再用粒度細(xì)的砂輪進(jìn)行精磨(磨削深較淺),同時(shí)增大冷卻液流量,對(duì)磨削表面充分冷卻,防止磨削區(qū)升溫過快而產(chǎn)生熱應(yīng)力。
5.結(jié)果
改進(jìn)后的熱處理工藝曲線如圖4所示,熱處理后滲碳層深度、碳化物、表面硬度檢驗(yàn)均正常。
圖 4
選用較為鋒利的砂輪,及時(shí)修整砂輪,保持砂輪鋒利,也是一種簡(jiǎn)單易行的減少磨削裂紋的措施。改進(jìn)后蝸桿磨削正常,再?zèng)]有磨削裂紋現(xiàn)象發(fā)生,保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度。