風電齒輪磨削裂紋分析和試驗研究

朱麗丹，婁軼群，王 良，馬金國

(1.大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116013;2.大連融科儲能技術發展有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

磨削裂紋很多是磨削熱引起的，在磨削過程中工件表面因磨削熱導致表面膨脹，熱量快速向工件內部傳導，而工件表面被冷卻液冷卻收縮，但內層體積仍在膨脹，工件表層受到拉應力的同時又受到砂輪的“撕扯”應力，當這兩個應力的總和超過材料的抗拉強度時，就在齒輪表面形成裂紋［1～5］。如果出現磨削裂紋，將直接影響裝配進度、造成很大經濟損失，所以解決磨削裂紋問題非常重要。

某廠家在2013 年10 月和2014 年5 月生產的二級太陽輪，集中產生9 件由于磨削裂紋原因致使齒輪件報廢，而且全部是3 MW 二級太陽輪。經調查鍛件材料屬同一廠家供貨，集中分布在四個爐批號中，滾齒完成后分別集中在四個滲碳爐次完成滲碳淬火工序。

1 樣本分析

1.1 外觀形貌分析

原始狀態:編號:DB11L0081;爐批號:1012F－35;材質:18CrNiMo7－6;3 MW 風電齒輪箱用二級太陽輪，在熱處理部門完成滲碳淬火后進行磨齒，磨齒完成后采用磁粉探傷發現缺陷。如圖1 所示。

圖1 磨削裂紋Fig.1 Gear grinding crack

圖1a為磨削裂紋處外觀形貌，磨削裂紋部位出現由于磨削高溫引起的發白現象。圖1b為磁粉探傷結果，齒根圓與漸開線過度部位密集平行磁粉堆積現象，裂紋方向平行沿著砂輪磨痕分布，所以初步判斷是由于砂輪磨粒不鋒利造成的或刀具進給量太大引發。

1.2 化學成分分析

在磨削裂紋部位取樣進行化學分析，結果見表1。試樣成分含量，滿足標準EN10084 中對各成分含量的要求，排除是由于化學成分不合格而引發磨削裂紋的可能性。

表1 化學分析結果Tab.1 The analysis result of chemical composition %

1.3 金相分析

金相觀察:試樣1 有裂紋，深度約1 mm，如圖2 所示;試樣2 高倍試片在齒頂和齒根等未經磨削的部位均有內氧化現象，內氧化層0.12 mm，遠超技術要求(標準要求0.06 mm)，如圖3 所示。內氧化層會增加齒面表面張力，在磨齒時可能在磨削力的作用下促使裂紋產生和發展，但這并不是造成磨削裂紋的主要原因，因裂紋均出現在節圓以下且多條平行分布，而不是內氧化的網狀形態，且節圓以上沒有裂紋，裂紋處目視明顯可見黑色磨削燒傷痕跡，裂紋部位有磨削熱產生的組織轉變，有高溫回火和二次淬火現象，因此裂紋產生的主要原因是磨削熱。

圖2 裂紋高倍形貌100 ×Fig.2 High appearance of crack 100 ×

圖3 齒根內氧化400 ×Fig.3 The gear root oxidation 400 ×

圖4 裂紋附近馬氏體和碳化物Fig.4 The martensite and carbideat at side of crack

1.4 熱處理工藝分析

熱處理后的組織碳化物級別及其分布狀態對裂紋的產生有很大的影響，特別是碳化物級別較高且呈網狀或斷續分布時，對裂紋的產生更加敏感，因此需保證碳化物呈粒狀分布的正常組織形態，預防裂紋產生［9～12］。

工件內部殘余奧氏體過多，當磨削條件較差時，磨削熱會使殘余奧氏體向馬氏體轉變，馬氏體遇熱分解，體積先膨脹后收縮，造成表面開裂，形成裂紋，所以要嚴格控制工件滲碳層中碳的濃度，避免產生過多殘余奧氏體與馬氏體［13］，裂紋方向平行沿著砂輪磨痕分布，排除在鍛造與淬火時裂紋擴大與產生(網狀)的可能性，如圖4所示，馬氏體和碳化物都滿足標準要求，兩側節圓有效硬化層深度3.35 mm 和3.45 mm。

充分回火，回火溫度太低或時間不足，可增加馬氏體的脆性，增大磨裂的可能。

1.5 分析結果

外觀形貌、化學成分、金相及熱處理等分析結果顯示，磨削加工產生的磨削熱是引起該二級太陽輪磨削裂紋產生的主要原因。

2 試驗研究

2.1 試驗工裝

風電齒輪箱的太陽輪中心設計為通孔(用于穿線管的安裝)，加工時兩端需要安裝堵頭，堵頭頂尖中心孔的加工質量要求:粗糙度Ra≤0.8 mm 校核接觸面積達到80%以上。

加工前選擇支撐面水平度相對較好的胎具，用千分表找正，工件中心軸線與機床定位中心同軸度誤差控制在0.02 mm 以內。

2.2 試驗參數

(1)工件參數。試驗齒輪相關參數見表2。

表2 二級太陽輪齒輪相關參數Tab.2 Gear parameters of two stage solar wheel

(2)砂輪參數。磨削使用的砂輪越硬，砂輪本身的多孔性越差，在磨削過程中，砂粒間的空隙很快被切削下來的碎屑堵塞，加之硬度高的砂輪自銳性差，磨鈍的砂粒不能及時被去掉，造成砂輪與齒面間的擠光現象［2］，容易引起磨削熱過大產生齒面燒傷和裂紋，若使用的砂輪軟，會影響齒形精度。本試驗選用美國NORTON 砂輪，磨粒為60#，外形尺寸為400 mm × 40 mm ×127 mm。

(3)原工藝參數。原工藝設置如表3 所示。采用整圈均布三齒三點測量，根據三點測量值磨齒機程序自動計算出最大公法線值，操作者根據結果及結合自身經驗將最大公法線值擴大0.4～0.7 mm 作為齒輪開始磨削的初始公法線，磨削方式采用雙面磨削。

表3 原始工藝參數Tab.3 Original processing technology parameters

2.3 試驗

在冷卻液和冷卻方式均滿足要求的情況下，齒輪表面產生的磨削熱越大，磨削裂紋產生的可能性就越大，影響因素包括進刀量大小、沖程速度大小、砂輪轉動線速度大小及砂輪修整頻率等，進刀量過大，沖程速度太大、砂輪轉動線速度越高、砂輪修整頻率太低都容易引起磨削熱過大，這就要求工藝參數設置時，嚴格控制磨削過程中各個參數。在試驗過程中發現，砂輪最先接觸到的是齒根附件部位，如圖5 所示，此部位正好是磨削裂紋存在的部位，所以重點研究粗磨工藝對磨削裂紋的影響。

2.3.1 試驗方案

圖5 試驗中砂輪最先接觸部位Fig.5 The first contact site of grinding wheel in test

磨削方式采用雙面磨，設計粗磨預留空刀量、粗磨進給量、粗磨砂輪沖程速度、粗磨砂輪轉速和粗磨金剛輪修砂輪頻率五個變量見表4。

在磨削過程中，如果預留空刀量不足，砂輪會很快觸碰到工件表面，此時控制屏上顯示瞬時電流值，但此數據不記錄，造成后期無法查詢追訴，所以要適當人為加大初始公法線數值。改進測量方法，采用整圈均布四齒三點測量，磨齒機程序計算獲得最大公法線122.7237 mm，如圖6所示，將空刀間隙調整單邊增加0.46 mm 的同時，再增加2 mm 作為齒輪開始磨削的初始公法線。

表4 磨削參數設計Tab.4 Grinding parameters of designing

圖6 公法線測量控制界面Fig.6 The control interface of common normal measuring

2.3.2 試驗結果

隨機選取同批同爐的二級太陽輪完成磨削，試驗方案1、2、3 完成后磁粉探傷檢驗全部存在磨削裂紋;試驗方案4、5 完成后磁粉檢驗合格率為100%，而且方案5 比方案4 縮短工時10%左右，但比原工時增加近一倍。

利用全因子設計的分析方法，結合實際加工工藝和磨床性能選取參數因子和水平，擬合選定模型中只包含全部因子的主效應，因子二階以上交互作用忽略不計，借助MINITAB 軟件和帕累托圖［14］可以得出預留空刀量和粗磨進給量是顯著因子。

3 結論

(1)磨削熱是磨削裂紋產生的外在主要因素;

(2)預留空刀量和粗磨進給量的是引發磨削裂紋的顯著因子，提高工件裝夾和找正精度，以及在磨齒加工前，采用硬質合金滾刀進行半精滾齒去除熱處理變形，都可以有效降低磨削裂紋的幾率。

［1］王小平，宋桂蓉.滲碳淬火齒輪磨削裂紋成因與防止措施［J］.科技咨詢導報，2006(09).

［2］劉公保.滲碳淬火齒輪磨削裂紋的產生及防止［J］.磨床與磨，1989(02).

［3］陶捷.消除滲碳淬火齒輪磨削裂紋工藝探討［J］.礦山機械，1998(11).

［4］池震宇.磨削加工與磨具選擇［M］.北京:兵器工業出版社，1990.

［5］王愛香.滲碳淬火齒輪磨削變質層的檢測與分析［J］.理化檢驗(物理分冊)，1998(04).

［6］郭長永.磨削燒傷的成因及預防措施［J］.科技信息，2011(19).

［7］李曉文.磨削燒傷的成因［J］.機械管路開發，2011(05).

［8］王靜.淺析磨削燒傷［J］.湖北三峽學院學報，2000(02).

［9］相瑜才，孫維連.工程材料及機械制造基礎［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［10］許香谷，肖詩綱.金屬切削原理與刀具［M］.重慶:重慶大學出版社，1992.

［11］高鐵生.磨削裂紋產生的原因與控制［J］.熱處理技術與裝備，2007(06).

［12］胡增榮，王建勝.應用低溫高壓噴霧冷卻控制磨削燒傷［J］.精密制造與自動化，2012(01).

［13］楊來俠，白彥俊.磨削燒傷分級方法的初步探討［J］.磨床與磨削，1995(04).

［14］何楨.六西格瑪綠帶手冊［M］.北京:中國人民大學出版社，2011.