推土機(jī)動(dòng)力換擋變速箱輸入軸磨削裂紋的排除

□ 耿麗霞

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 宣鋼分院 機(jī)電系 河北張家口 075100

為簡(jiǎn)化操縱、減小結(jié)構(gòu)外形、提高生產(chǎn)效率，中大馬力推土機(jī)動(dòng)力換擋變速箱一般采用前三后三的行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，其動(dòng)力輸入軸和輸出軸為同端輸入、同端輸出結(jié)構(gòu)。輸入軸為細(xì)長(zhǎng)軸，長(zhǎng)徑比約1∶20，軸上布置3段外花鍵和3處軸承位。

由于轉(zhuǎn)速高、扭矩大，動(dòng)力輸入軸一般采用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼并經(jīng)滲碳淬火處理，圖1為某推土機(jī)動(dòng)力換擋變速箱輸入軸，材料為20NiCrMoH，滲碳深度為0.8～1.2 mm，表面硬度為52～60 HRC，心部硬度為33～45 HRC，表面粗糙度為Ra0.8 μm。工藝流程為：機(jī)加工-滲碳緩冷-加熱淬火-回火-磨削。該輸入軸在磨削時(shí)，多次發(fā)現(xiàn)零件表面出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋。

圖1 輸入軸簡(jiǎn)圖

為此，筆者對(duì)裂紋零件特征進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，從熱處理工藝、磨削工藝等方面進(jìn)行分析和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨削裂紋產(chǎn)生的原因與熱處理工藝參數(shù)及磨削工藝參數(shù)的選擇有密切關(guān)系。后續(xù)批量生產(chǎn)實(shí)踐證明，對(duì)于低碳合金鋼滲碳淬火細(xì)長(zhǎng)軸零件，只要恰當(dāng)?shù)剡x擇熱處理和磨削工藝參數(shù)，不僅磨削裂紋可完全消除，而且還顯著提高了磨削質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 輸入軸裂紋特征及檢驗(yàn)分析

1.1 磨削裂紋特征

磨削裂紋存在于零件被磨削的表面上，有的呈分散條狀，但各條裂紋相互平行，且與磨削方向垂直；有的呈網(wǎng)狀或輻射狀。若與磨削面成一定角度觀察裂紋時(shí)，還有裂紋突出表面的感覺。如果垂直于磨削面取樣觀察，可發(fā)現(xiàn)磨削裂紋一般很淺，表層顯微組織所觀察到的磨削裂紋深度為0.05 mm，從表面起由粗到細(xì)逐漸消失，如圖2所示。

圖2 零件表層的顯微組織

1.2 金相檢驗(yàn)分析

1.2.1 表層組織分析

取零件表層金相磨面觀察顯微組織，如圖3所示。表層組織為馬氏體+殘余奧氏體，3級(jí)（約30%）；尖角處未發(fā)現(xiàn)碳化物分布，表層滲碳淬火組織正常。

圖3 尖角的顯微組織

1.2.2 心部組織分析

零件心部組織如圖4所示，為混合貝氏體組織。

圖4 零件心部的顯微組織

1.3 硬度檢驗(yàn)

對(duì)零件的磨削表面進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，硬度為57～58 HRC。

2 輸入軸磨削裂紋產(chǎn)生原因及影響因素分析

2.1 磨削裂紋產(chǎn)生機(jī)理

（1）磨削裂紋的產(chǎn)生是由磨削熱引起的，軸類零件在磨削過程中零件表面的溫度可能高達(dá)820～840℃或更高，如果磨削時(shí)冷卻不夠充分，將導(dǎo)致表面層的顯微組織重新奧氏體化，并再次淬火成為馬氏體，因而使工件表面層產(chǎn)生極大的附加組織應(yīng)力。同時(shí)由于表面溫升極快，造成很大的熱應(yīng)力，當(dāng)組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加超過了材料的強(qiáng)度極限時(shí)，被磨削的表面就會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋，如圖5所示。

圖5 零件表層裂紋

（2）零件磨削時(shí)顯微組織中的殘余奧氏體因受磨削熱的影響將發(fā)生分解，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，引起工件表面體積膨脹，導(dǎo)致組織應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)磨削裂紋的形成。

（3）在磨床上磨削工件時(shí)，對(duì)工件既是壓力，又是拉力，助長(zhǎng)了磨削裂紋的形成。

2.2 磨削裂紋形成的影響因素

2.2.1 熱處理工藝對(duì)磨削裂紋的影響分析

1）滲碳濃度的影響。滲碳零件在井式滲碳爐中滲碳，滲碳時(shí)間5 h 45 min，滲層深度達(dá)到0.8～1.2 mm，其碳氮共滲熱處理工藝曲線如圖6和表1所示。

圖6 碳氮共滲熱處理工藝曲線

表1 碳氮共滲熱處理工藝參數(shù)表

滲碳濃度明顯偏高時(shí)，零件的表面硬度較高，但隨碳含量的增加其導(dǎo)熱系數(shù)降低，磨削時(shí)易產(chǎn)生磨削裂紋。同時(shí)表層的殘余奧氏體和碳化物將沿晶界析出。晶界上碳化物數(shù)量增多和集中，將加大晶界脆性。因此晶界斷裂抗力的降低勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致晶界裂紋的出現(xiàn)。

2）回火工藝的影響分析。對(duì)零件回火處理的工藝曲線如圖7所示，淬火后回火處理的質(zhì)量對(duì)磨削裂紋的形成有直接影響。磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱足以使表層淬火馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，碳化物析出，體積減少，造成工件表面與內(nèi)部的比容差，引起較大的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而形成裂紋。滲碳層充分回火，對(duì)愈合淬火后馬氏體中的微裂紋具有一定作用，能提高馬氏體的塑性及韌性，有效地減少或消除磨削裂紋。回火時(shí)間短或回火不及時(shí)均會(huì)導(dǎo)致磨削裂紋的產(chǎn)生，其關(guān)系如圖8所示。在磨削條件相同、熱處理工藝參數(shù)為常量時(shí)，通過延長(zhǎng)回火時(shí)間和增加回火次數(shù)，可有效降低磨裂傾向。

圖7回火處理的工藝曲線

圖8 磨裂傾向于回火時(shí)間、次數(shù)關(guān)系

2.2.2 磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削裂紋的影響分析

磨削工藝影響加工質(zhì)量的主要因素有：砂輪的吃刀量、走刀量、冷卻液、零件轉(zhuǎn)速、砂輪轉(zhuǎn)速及砂輪質(zhì)量等。如果磨削進(jìn)給量大，砂輪硬度、粒度選擇不當(dāng)，冷卻不足、不均勻，磨削過烈，產(chǎn)生大量的熱，都會(huì)使磨削面產(chǎn)生回火，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變形成二次淬火馬氏體，使工件在滲碳淬火時(shí)形成的表面壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，從而產(chǎn)生磨削裂紋。

3 輸入軸磨削裂紋的排除措施

從以上分析知道，產(chǎn)生磨削裂紋的根本原因在于淬火件的馬氏體組織是一種膨脹狀態(tài)，有應(yīng)力存在，必須減少和消除這種應(yīng)力。據(jù)此我們對(duì)輸入軸采用了直接淬火工藝，并對(duì)冷、熱工藝參數(shù)做了調(diào)整，獲得了滿意的磨削效果。

3.1 熱處理工藝方面

在確保表面硬度符合技術(shù)要求的前提下，適當(dāng)提高熱處理回火溫度，回火時(shí)間由2 h延至3 h，控制表面碳化物，將一次回火改為二次回火并增加人工時(shí)效，生產(chǎn)實(shí)踐證明該方法非常有效。

3.2 磨削工藝方面

不產(chǎn)生磨削裂紋的關(guān)鍵因素是較長(zhǎng)時(shí)間保持砂輪微刃的鋒利。鋒利的刃口，減緩了磨削過程中的摩擦擠壓過程，從而降低了磨削區(qū)的溫度。若降至600℃以下，或更低。磨削液能將熱量迅速帶走，磨削部位表、里層溫度低，梯度小，也就不會(huì)出現(xiàn)裂紋。

解決的方法有：(1)采用鉻剛玉砂輪并適當(dāng)降低砂輪硬度，保證自銳能力，避免產(chǎn)生燒傷和裂紋；(2)控制砂輪修整次數(shù)，做到磨一個(gè)軸頸，修一次砂輪，始終保持砂輪刃口的鋒利性；(3)選擇潤(rùn)滑性能好的磨削液，采用極壓切削液。

通過采取以上措施，輸入軸磨削裂紋問題得到解決。

4 結(jié)論

（1）磨削工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，而滲碳濃度偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工件材料過熱，造成深層晶界脆性斷裂，這是軸類零件磨削中產(chǎn)生裂紋的主要原因；

（2）注意恰當(dāng)選擇淬火溫度、回火溫度及回火時(shí)間等工藝參數(shù)，減少零件表面殘余拉應(yīng)力，增加導(dǎo)熱系數(shù)，為無裂紋磨削創(chuàng)造基礎(chǔ)條件；

（3）砂輪硬度值的合理選擇，是改善磨削條件諸因素中較為重要的因素。