蝸桿是機床回轉(zhuǎn)部件中的重要零件,工作時蝸桿螺旋表面與蝸輪齒面相對滑動,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,加工工藝復雜、工序長,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出現(xiàn)磨削裂紋,導致零件報廢,嚴重影響了生產(chǎn)進度。
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→除應力→精車→滲碳→螺紋處去碳→淬火→粗磨→無損檢測→時效→精磨。
熱處理過程:鍛件正火→滲碳→淬火→低溫回火→矯直→除應力→低溫時效。熱處理工藝過程曲線如圖2所示。
圖 2
滲碳淬火后,經(jīng)檢驗碳化物1級,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,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,由于砂輪變鈍未及時修整、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、殘余應力、力學性能等發(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,都會使磨削裂紋發(fā)生的可能性大為增加。該零件實測硬度59~60HRC,大大增加了產(chǎn)生磨削裂紋的傾向。一方面,磨削條件不當或磨削不規(guī)范時,被磨削的表面首先會形成一個個較強烈的燒傷中心,造成不均勻的熱應力,在交替的高溫與急冷下應力值漸增,應力超過材料的強度極限時,被磨削的表面就會產(chǎn)生裂紋。另一方面,表層滲碳淬火組織中的殘留奧氏體,在磨削時受強烈的磨削熱的影響及冷卻液的冷卻,將會轉(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力,導致應力集中,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,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入磨削區(qū)域?qū)δハ髅孢M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,這種組織應力和熱應力的迭加就會導致磨削表面出現(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)變增加了零件表面的組織應力,因此,應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,防止磨削時產(chǎn)生組織應力。粗精磨之間的低溫時效時間由8h延長至12h,充分消除磨削造成的應力。
(2)磨削工藝方面
磨削裂紋的產(chǎn)生是因為磨削熱所致,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行粗磨,及時清除砂輪表面積屑,減少磨削深,增加磨削次數(shù),減小工作臺速度,可以降低磨削熱。然后再用粒度細的砂輪進行精磨(磨削深較淺),同時增大冷卻液流量,對磨削表面充分冷卻,防止磨削區(qū)升溫過快而產(chǎn)生熱應力。
5.結(jié)果
改進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、表面硬度檢驗均正常。
圖 4
選用較為鋒利的砂輪,及時修整砂輪,保持砂輪鋒利,也是一種簡單易行的減少磨削裂紋的措施。改進后蝸桿磨削正常,再沒有磨削裂紋現(xiàn)象發(fā)生,保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進度。