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探讨磨齿烧伤的原因影响因素和防止措施-[新闻]

2022-06-29 来源:贵州农业机械网

为解决生产实践中存在的磨齿烧伤问题,结合生产实际现状,首先分析了磨齿烧伤的成因、类型及危害,并就磨削原理、砂轮和磨削参数、冷却液和冷却系统以及工装夹具等方面对磨齿烧伤的影响进行了试验分析,最后提出了改进办法。

齿轮传动是现代机械中最主要的一种机械传动,齿轮是机械产品的重要基础零部件。磨齿是齿轮加工的一种精加工工艺,磨齿不仅能修正齿轮预加工产生的各项误差,而且能显著提高齿轮箱的整体精度。

随着精密齿轮需求量的不断增加,越来越多的展成磨齿机被成型磨齿机取代,使磨齿效率显著提高。但在生产使用过程中,成型磨齿机的齿面烧伤问题越来越多的出现,尤其对17CrNiMo6及20CrNi2MoA等含镍较高的材料更加突出,严重影响了齿轮质量和使用寿命。为此,本文就磨齿烧伤的原因、影响因素和防止措施进行了分析和探讨。

01磨齿的烧伤

1.1磨齿烧伤的原因

磨削过程中不可避免的会产生大量的磨削热,一部分被冷却液带走,另一部分被传导入加工齿轮的浅表面层内,并快速使齿轮的表层温度升高。在磨削热大量产生时会在齿面浅层形成回火层,在磨削特别异常时,甚至可达到相变乃至熔化温度,经冷却液激冷形成二次淬火层,因此便形成了磨齿烧伤。当产生并作用在被磨齿齿面表层内的磨削拉应力超过材料的脆断强度时还会形成磨削裂纹。

1.2磨齿烧伤的判定

磨齿时主要工艺参数对烧伤形成的影响可用4种方法作定性或定量的评价。

(1)侵蚀检验法,按GB/T齿轮磨削后表面回火的侵蚀检验,用3%~5%的硝酸溶液侵蚀后,根据回火区域颜色的变化从轻到重分为A、B、C、D、E共5个级别,根据回火表面积的最大百分比分为1、2、3共3个级别。分别从回火颜色和回火面积的最大百分数对磨齿烧伤的程度进行判定。

(2)金相法,是用金相图分析和测量显微硬度方法确定组织变化层深度,也是在实际生产中常用的方法。

(3)解析试验法,即用系数K=Q/F来评价。其中,Q为砂轮在单位时间内磨下的金属数量(体积金属的单位磨除量),F为砂轮同齿面的接触面积。用此种方法要完成一定量的金相分析,根据这些资料,建立起系数K与组织变化层深度的关系,从而确定磨齿烧伤的层深。

(4)解析法,根据热波渗透方程

式中h'----损伤层深度

α----温度传导系数,

λ----传热系数

c----单位热容量

Υ----被加工材料的密度

Τ----散热时间

Tmax----磨削区内最高接触温度

Tper----许用温度(在深度h'处不引起马氏体分解)这种评价方法是在某些假设的情况下,对磨齿热过程许多参数分析的基础上进行的,必须完成较大的计算量。第一种方法主要从表面反应对磨齿烧伤判定,是最简单最便捷的检验方法,也是在生产实践中常用的方法之一。第二种方法是通过对磨齿烧伤层的金相分析对磨齿烧伤的硬度影响、组织变化等影响因素进行深层次分析。通过前两种方法,可以把磨齿烧伤从表面到组织进行全面分析,也是实际生产中常用的检验方法。三、四两种方法从理论的角度对磨齿烧伤的深度进行计算,可对磨齿烧伤进行全面补充。

1.3磨齿烧伤的硬度分析

图1为17CrNiMo6和20CrNi2MoA两种材料经成型磨齿机磨削产生烧伤后的硬度曲线,其中包含磨齿前的原始曲线及磨齿后的两种典型烧伤类型:轻度回火烧伤和二次淬火回火严重烧伤。

图中③为未磨齿时的原始硬度曲线,经比较发现:情况①和情况②的表面硬度与原始硬度存在明显差异。

磨齿烧伤中第一种情况即图1所示①情况,材料①经磨齿后在距表面0.1mm形成回火层,使硬度显著降低。按GB/T齿轮磨削后表面回火的侵蚀检验用5%硝酸溶液酸洗后发现,表面呈现深灰或深色,属于B级轻度回火,回火面积占25%左右。在实际使用过程中发现,这种齿轮齿面由赫兹应力形成垂直于齿面的裂纹,并沿齿宽方向发展;另外沿齿高方向,相邻裂纹发展交叉成状,齿表面层形成"孤岛",最后沿渗碳层过渡区造成剥落,使齿轮寿命明显下降。

第二种情况即图1所示②情况,材料②经磨齿后产生二次淬火,在距表面0.1mm形成淬硬层,使表面硬度显著提高,并形成很大的拉应力。磨齿后放置12小时即发现齿面有严重裂纹,严重处还出现翘皮现象。按GB/T齿轮磨削后表面回火的侵蚀检验用5%硝酸溶液酸洗后发现白色块状区,周围是黑色回火面,属于E级严重过热,回火面积占80%以上。金相分析发现白色块状区是二次淬火的未回火马氏体,层深很浅(0.1mm左右),放置过程中在应力作用下产生裂纹。这种齿轮在使用过程中会出现压溃,寿命严重下降。

图1磨削烧伤齿的硬度分布曲线

02影响磨齿烧伤的因素

2.1机床磨削方法对磨齿烧伤的影响

目前使用的磨齿设备主要分为两大类:展成磨齿机和成型磨齿机。由于其磨削原理不同,磨削方法也就不同,从而决定了磨齿烧伤的倾向性不同。图2为展成磨齿机和成型磨齿机的两种不同进给方式,左图为切向进给,又叫等距离进给,是展成磨齿机的主要进给方式。图2为径向进给,是成型磨齿机的主要进给方式。展成磨齿机的磨削原理为齿轮与齿条啮合原理。假想砂轮为一齿条,让被加工齿轮在假想齿条上做往复的跑合,跑合过程包括一个直线和一个圆周两个动作的综合,动作的不同速率通过挂轮或计算机PC控制,从而合成一条渐开线曲线。磨削时最常用的方法是加工同一齿槽的一个齿面后再加工另一个齿面。由于是线接触,磨削瞬间产生极高的温度,又因为砂轮与齿面接触面积较小,在齿面上形成的压强较大,对表层拉应力也较大,所以这种加工方法最容易产生裂纹。但它在磨削时冲程较大,一般粗磨为90m/min。各啮合线之间有间隔时间差,又有利于散热。所以"展成磨"不易产生表层回火的这种过热烧伤。

成型磨齿机不同于展成磨齿机,它的进给是垂直于加工工件,即径向进给。成型砂轮的形状等于最终齿型形状,但齿槽在未加工前其形状较窄(因为有留磨量),根据齿轮的原理,当砂轮远离齿轮时,砂轮会和齿轮上压力角较小的位置先接触,并非砂轮和齿轮设计的压力角重合,所以在前期磨削过程中齿轮分度圆以上的部分并未参加切削。而分度圆下端特别是滚刀过度弧上端位置刀量去除较大。随着径向的进给相对于齿轮下端量值减少而上端量值增大,这样在相同的径向进给量的前提下,就形成了不同的金属去除量。成型磨多为双面磨削,即砂轮对一个齿槽的左右齿面同时进行切削,冲程进给缓慢,一般粗磨为2500mm/min,而进给量较大,而且对同一齿槽连续磨削多次,这样就形成了砂轮与齿面接触痕迹为两个面。由于是连续磨削,极不利于散热和冷却液的进入,所以成型磨齿机对齿面容易引起表层回火及二次淬火的烧伤。但是由于它的磨削为两面平衡受力,且接触面积较大,对齿面的拉压应力较小,故不易产生裂纹.通过以上分析表明:成型磨齿机的磨削原理决定了磨削烧伤的倾向性很大。

2.2砂轮及磨削参数对磨齿烧伤的影响

在实践中发现,在相同的磨削工艺情况下,不同的砂轮在磨削过程中会产生不同的效果。因此在砂轮的选择上,应该在保证齿面粗糙度的前提下,尽可能选择较软的砂轮。但由于磨削原理的不同,成型磨齿机的砂轮要稍高于展成磨齿机的砂轮硬度。因为成型磨齿机砂轮的形状比较复杂,切削量在各点不尽相同,它需要更好的保型性能。

2.2.1砂轮硬度及粒度的影响

用不同粒度的绿色碳化硅砂轮磨削钛合金钢,进行磨削温度对比,试验结果如下:

图2齿轮磨齿进给方式示意图

试验表明:砂轮软磨削温度低,其原因为软砂轮具有较好的自锐性,砂轮工作表面上的磨粒经常处于锐利状态,较少了摩擦和塑性变形所产生的能量,因此较硬砂轮的温度低。砂轮粒度粗磨削温度低,其原因为粗砂轮工作表面上单位面积的磨粒数较少,与工件接触面积也较少,因此单位时间内产生的磨削热也较少,自然磨削温度就低。

2.2.2砂轮种类的影响

(1)CBN砂轮磨削试验结果

(2)SG砂轮的试验结果

(3)普通刚玉砂轮试验结果

试验证明:CBN砂轮在磨削性能上高于普通钢玉类砂轮,CBN砂轮磨削时几乎没有损耗(有极好的保型性)。CBN砂轮有着良好的切削刃角而且不易磨损,所以对齿轮的压应力非常小,不易产生磨削裂纹及烧伤。

SG砂轮的优点是:切削性能较好,生产效率高。从目前保守实验比普通刚玉提高效率40%,比峰行单晶刚玉砂轮提高30%,且不易产生烧伤。

2.3冲程的移动速度对磨齿烧伤的影响

在保持单位时间内金属去除量的前提下,适当加快冲程走刀速度,减少进刀量,可有效的改善烧伤表面,并可提高展成磨齿机的表面光洁度。但对成型磨齿机这这种方法虽能有效改善烧伤表面,但会使表面光洁度降低。

2.4冷却液及冷却系统对磨齿烧伤的影响

在磨削过程中,砂轮与工件接触区的瞬间温度可达到960℃以上,因此,冷却油管的位置决定了磨齿烧伤的可能性。通常情况下冷却液直接喷射到磨削区域,但磨削区域产生的瞬间热量使冷却液雾化,在磨削区域形成贫油区,使冷却液无法达到冷却效果,加大了磨齿烧伤的可能性。改进后的冷却液避免直接喷射在磨削区域,同时要考虑砂轮气孔的阻塞,两组冷却油管的分工如下:其中一组要直接喷射到砂轮参与切削部分,以冲去粘在砂轮上的铁屑,这一组的喷射方向与砂轮旋转方向相反。另一组喷射在磨削区域,与砂轮的旋转方向相同,保证了冷却液通过砂轮的离心力达到磨削区域,已达到冷却的效果。试验证明:改进后的冷却系统对磨齿烧伤有明显的改进。

2.5工装夹具对磨齿烧伤的影响

工装夹具以及辅助工装的刚度也是决定磨齿烧伤的关键因素。传统工装很少考虑芯轴的刚度。在磨削过程中,砂轮的瞬间进给使工件承担很大的轴向力,砂轮的进给使工件处于不稳定状态而使设定的进给量的均匀性无法保证,从而造成使磨齿烧伤的可能性大大增加。

2.6辅助工艺对磨齿烧伤的影响

磨齿前要对渗碳淬火齿轮进行打磨或喷沙,可有效去除齿面的氧化皮,降低杂质堵塞砂轮的可能性,有效降低磨齿烧伤的可能性,另外也可以提高冷却油的洁净度。

2.7其它因素对磨齿烧伤的影响

在砂轮的平衡上作到精益求精,仔细地操作和调控。因为砂轮在高速旋转下,每一微小的抖动都会对齿面造成严重的烧伤。展成磨齿机和成型磨齿机都要保持修整的金刚笔和金刚滚轮的锋利。以修整出锐利的砂轮。若金刚笔有0.3mm以上的磨损,或金刚轮有0.02mm以上的磨损,表明金刚石(笔)已经钝化,需要及时更换。金刚笔和金刚轮的修整速度在粗加工时一定要移动迅速,以保证砂轮的锐利性。

03结语

齿轮的磨齿烧伤是客观存在的,通过对磨齿烧伤因素的探讨,找到部分影响磨齿烧伤的因素,在生产过程中不断改近和完善,可有效改善磨齿烧伤的现状,尤其是砂轮类型的选择能起到明显的改善作用。但本文所作的试验还比较有限,尚不能完全总结出所有磨齿砂轮的性能及与之匹配的磨齿参数,还需进行更多的试验工作。

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