本文以磨削原理為基礎(chǔ)，闡述了磨削加工過程、磨削燒傷的產(chǎn)生、磨削燒傷的判定及磨削燒傷的危害等。重點(diǎn)介紹了影響磨齒燒傷的因素，從機(jī)床磨削方法、CBN 砂輪的選擇、冷卻介質(zhì)的選擇、冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化、工裝夾具的剛性、金剛滾輪的選擇、熱前滾齒工序的保證及熱處理變形的控制等維度，較為系統(tǒng)地分析和解決了現(xiàn)生產(chǎn)中間軸磨齒燒傷問題，取得了較好的成效，為解決磨齒燒傷問題提供了方法。

　　標(biāo)題圖片來自：萊斯豪爾

　　為滿足高速重載、高精傳動要求，當(dāng)前齒輪大多采用滲碳淬火硬齒面熱處理技術(shù)，因此磨齒是齒輪精加工必不可少的環(huán)節(jié)。磨齒不僅能修正齒輪預(yù)加工產(chǎn)生的各項(xiàng)誤差，還能顯著提高變速器的傳動精度。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，齒輪表面的磨削燒傷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，齒輪一旦出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象，將大大降低使用性能和壽命，甚至造成打齒，導(dǎo)致變速器無法正常工作。VT 中間軸因零件結(jié)構(gòu)限制采用成型磨齒機(jī)加工，加工中存在磨齒燒傷，造成資金索賠，成為排名第一的變速器市場質(zhì)量問題。為此，本文就 VT中間軸磨齒燒傷的原因、影響因素和防止措施進(jìn)行了分析和探討，旨在消除磨齒燒傷，減少浪費(fèi)，提高變速器品牌效應(yīng)和客戶滿意度。

　　一、磨削原理

　　磨料通過結(jié)合劑黏合在砂輪上，使砂輪表面每平方厘米有600~1400顆磨粒。磨粒在砂輪上排列的間距和高低都是隨機(jī)的。磨粒是多面體，其每個(gè)棱角可看作一個(gè)切削刃，頂尖角為90°~120°,尖端是半徑為幾微米至幾十微米的經(jīng)精細(xì)修整的磨具。磨粒表面會形成一些微小的切削刃，可以看作砂輪表面分布著無數(shù)刀齒的多刃刀具。

　　磨削加工過程

　　在磨削工件時(shí)，接觸工件的是多個(gè)刃尖，比較凸出且鋒利的磨?？梢垣@得較大的切削厚度，形成切屑;不太凸出或較鈍的磨粒切削厚度過小，會在工件表面刻劃出痕跡，工件材料被擠向磨粒兩旁而隆起;高度很小的磨粒既不切削也不刻劃，只是與工件表面產(chǎn)生滑擦作用。即使是凸出程度和鋒利程度相同的磨粒，其磨削過程也可看作滑擦、刻劃、切削的連續(xù)作用。因此，磨削加工的切削過程可分3個(gè)階段(圖1)。

　?、?滑擦階段：磨粒開始擠入工件，滑擦而過，工件表面產(chǎn)生彈性變形而無切屑。

　?、?耕犁階段：磨粒擠入深度加大，工件產(chǎn)生塑性變形，耕犁成溝槽，磨粒兩側(cè)和前端堆高隆起。

　?、?切削階段：切入深度繼續(xù)增大，溫度達(dá)到或超過工件材料的臨界溫度，部分工件材料明顯地沿剪切面滑移，形成磨屑。

　　根據(jù)條件不同，磨粒的切削過程的3個(gè)階段可以全部存在，也可以部分存在。見圖2,在磨削過程中，磨粒受到工件材料變形的阻力F1 以及磨粒與工件表面間的摩擦力F2, 形成磨削力。磨削過程所消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ鳠?。磨削力和磨削熱都影響磨削精度?/p>

　　在磨削過程中，參加磨削的磨粒逐漸變得圓鈍，磨削能力不斷下降。這些磨鈍的磨粒承受的磨削力F會隨之增大。當(dāng)F 超過磨粒本身強(qiáng)度極限時(shí)，磨粒破碎，破碎后的磨粒會形成若干新的鋒銳棱角繼續(xù)參與磨削。立方氮化硼 (CBN) 磨粒的硬度很高，要充分發(fā)揮CBN 磨粒的優(yōu)越性，對CBN砂輪的結(jié)合劑把持力和強(qiáng)度要求就要高些。當(dāng)磨粒磨損到一定程度后，需要把砂輪工作面上的結(jié)合劑挖掉一部分，即對砂輪修整開刃，為磨削時(shí)提供足夠的容屑空間。

　　磨削燒傷

　　磨削表面質(zhì)量包括磨削表面粗糙度和磨削表面層的物理機(jī)械性能兩方面。因?yàn)槟ハ骷庸r(shí)磨粒對工件的作用包括滑擦、刻劃和切削，并且大多數(shù)磨粒是負(fù)前角和小后角，所以在整個(gè)磨削過程中會產(chǎn)生大量的磨削熱，使磨削區(qū)的瞬時(shí)溫度達(dá)到1000℃左右。在磨削熱量、磨削力二者的綜合作用下，零件表層因溫度不同而出現(xiàn)二次熱處理的金相組織變化，從而使表面層的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起顯微裂紋，嚴(yán)重影響零件的使用性能，這就是磨削燒傷的成因。磨淬火鋼時(shí)，在工件表面層形成的瞬時(shí)，高溫會使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化(圖3):①如果工件表面層溫度未超過相變溫度Ac3(一般中碳鋼為720℃),但超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度(一般中碳鋼為300℃),這時(shí)馬氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，這稱為回火燒傷;②當(dāng)工件表面層溫度超過相變溫度Ac3時(shí)，如果有充分的切削液，則表面層會急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，導(dǎo)致表面層總的硬度降低，這稱為淬火燒傷;③當(dāng)工件表面層溫度超過相變溫度Ac3時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，如果無切削液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，這稱為退火燒傷，干磨時(shí)很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

　　不論哪一種磨削燒傷，磨削過程中工件表面溫度的急劇上升，以及之后開始的冷卻直至最后冷卻，都會引起零件表層的熱脹冷縮，造成自工件表面至內(nèi)部的各層產(chǎn)生各異的殘余應(yīng)力。如果表面的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力態(tài)勢，且幅值較大，則會產(chǎn)生質(zhì)量隱患。如果磨削燒傷發(fā)生在交變載荷工作環(huán)境中對表面質(zhì)量有很高要求的旋轉(zhuǎn)類零件(例如變速器中的齒輪軸、齒輪等)上，一方面會因工作表面硬度的下降直接影響零件使用性能，另一方面，由于磨削后零件表層存在較大的殘余(拉)應(yīng)力，在交變載荷作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，最終會導(dǎo)致零件失效。

　　磨齒燒傷的判定

　　磨齒燒傷的傳統(tǒng)檢測方法有3種，可做定性或定量評價(jià)，具體見表1。

　　1)觀色法即觀察磨削后零件表的“回火色”。隨著磨削接觸區(qū)溫度升高，磨削表面會形成氧化膜。由于膜層厚度不同，反射光的涉狀態(tài)也不同，因此會呈現(xiàn)出各種顏色，如黃色、草黃色、褐色、紫色等，即“回火色”。值得注意的是，表層沒有“回火色”并不意味著表層沒有燒傷。觀色法是最為直觀簡單的檢測方法，不需要采用專用設(shè)備，但是檢測過程受到人為主觀因素的影響較大，因此不適合用于檢測要求嚴(yán)格的場合。

　　2)酸洗檢查法是目前生產(chǎn)上普遍使用的方法，原理是鋼材中不同的金相組織對酸蝕有不同的敏感性?；鼗瘃R氏體酸蝕后呈現(xiàn)灰色，若發(fā)生嚴(yán)重的回火燒傷，回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，酸蝕后呈現(xiàn)黑色;若發(fā)生二次淬燒傷，金相組織為淬火馬氏體，酸蝕后呈現(xiàn)白色。

　　3)表層顯微硬度判別法根據(jù)回火燒傷后表層硬度下降的原理，以磨削表面的顯微硬度分布曲線作為是否發(fā)生磨削燒傷的判別依據(jù)?；鼗馃齻奶攸c(diǎn)是表層硬度下降，因此可以簡化燒傷的檢測方法，采用測量表層顯微硬度的方法，以測出的表層顯微硬度相比集體硬度下降的程度來判別回火燒傷的程度。表層顯微硬度判別法反應(yīng)比較靈敏，而且數(shù)值可靠，應(yīng)用較為廣泛。

　　磨齒燒傷的無損檢測方法為磁彈法，可綜合判斷金相 (硬度)和應(yīng)力的狀況。定量化的檢測數(shù)據(jù)，能為企業(yè)提供新的質(zhì)量管理視角，進(jìn)而延伸到工藝流程，為改進(jìn)工藝流程提供可靠的依據(jù)，符合目前大數(shù)據(jù)管理的趨勢。

　　磁彈法通過巴克豪森原理，將電磁信號數(shù)值化地表現(xiàn)出來，從而間接地判斷工件是否發(fā)生了磨削燒傷，具有操作簡單、方便、高效等優(yōu)點(diǎn)，而且對工件表面不會造成任何破壞，因此在齒輪產(chǎn)品表面磨削燒傷的檢測中具有較大的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。該方法被沃爾沃 (VOLVO) 、重慶綦江齒輪、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司等企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。

　　磨削燒傷的種類

　　齒輪零件磨削加工的過程中，接觸區(qū)域的瞬時(shí)高溫 (可達(dá)1000℃)使得零件表面的金相組織產(chǎn)生局部變化。根據(jù)磨削燒傷表面組織結(jié)構(gòu)的不同，可以將磨削燒傷分成兩類。

　　回火燒傷：當(dāng)磨削接觸區(qū)表面層溫度顯著超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，且低于相變臨界溫度Ac時(shí)，零件表面馬氏體產(chǎn)生回火，轉(zhuǎn)變成硬度較低的索氏體和屈氏體，這種燒傷稱為“回火燒傷”, 見圖4a。此時(shí)該表面的硬度一般為 HRC51~HRC57。

　　次淬火燒傷：淬火鋼的馬氏體組織在750~850℃的磨削高溫下轉(zhuǎn)變成奧氏體。如果冷卻速度較低，則會重新變?yōu)轳R氏體。零件表層硬度比原淬火硬度稍有提高， 一般在 HRC63 左右。但此變質(zhì)層性能穩(wěn)定性較差，脆性較高，二次淬火燒傷區(qū)域周圍通常伴有一圈嚴(yán)重的回火層，見圖4b。

　　磨削燒傷和磨削裂紋

　　磨削燒傷的變質(zhì)層內(nèi)存在較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，容易出現(xiàn)裂紋。磨削燒傷不一定伴隨磨削裂紋出現(xiàn)，但是磨削裂紋通常都伴隨磨削燒傷產(chǎn)生。磨削裂紋的方向一般與砂輪的軸向進(jìn)給方向垂直，見圖5a。

　　齒面存在裂紋后，潤滑油會侵入裂紋。當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒面的壓力使得裂紋內(nèi)的油壓升高，對裂紋存在擠脹的作用，導(dǎo)致齒面剝落，甚至出現(xiàn)輪齒斷裂的現(xiàn)象，見圖5b。

　　磨削燒傷的危害

　　磨削燒傷除了容易引發(fā)磨削裂紋外，還主要存在以下危害;

　　a) 較輕的磨削燒傷情況下，零件在使一定時(shí)間后，表層硬度會下降，軟化層明顯加深，使用壽命與無磨削燒傷的零件相比會縮短3~5年。

　　b) 嚴(yán)重的磨削燒傷情況下，以 VT中間軸齒面為例，由于表面硬度降低，齒輪承受接觸應(yīng)力的能力顯著下降，導(dǎo)致齒成出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落、失效等質(zhì)量事故，使得齒輪失去正常的工作能力，見圖6、圖7。

　　c) 由于齒面剝落，與之嚙合的齒輪容易產(chǎn)生齒面凹坑等失效形式。

　　二、影響磨齒燒傷的因素

　　磨削燒傷和磨削裂紋均因磨削熱過高引起，因此預(yù)防燒傷和裂紋應(yīng)該從降低磨削熱的角度著手。影響磨削熱的因素主要有砂輪狀況、切削用量、冷卻條件、零件材料以及熱處理硬度等。其中，機(jī)加工方面主要涉及的是砂輪狀況、切削用量和冷卻條件。因此，零件的磨削燒傷應(yīng)該主要從這三方面來預(yù)防。

　　機(jī)床磨削方法對磨齒燒傷的影響

　　目前使用的磨齒設(shè)備主要分為兩大類：展成磨齒機(jī)和成型磨齒機(jī)。由于兩者磨削原理不同，磨削方法也就不同，從而決定了磨齒燒傷的傾向性不同。切向進(jìn)給，又稱等距離進(jìn)給，是展成磨齒機(jī)的主要進(jìn)給方式。徑向進(jìn)給，是成型磨齒機(jī)的主要進(jìn)給方式，見圖8。展成磨齒機(jī)的磨削原理為齒輪與齒條嚙合原理。假想砂輪為一齒條，讓被加工齒輪在假想齒條上做往復(fù)跑合，跑合過程包括一個(gè)直線和一個(gè)圓周兩個(gè)動作的綜合，動作的不同速率通過掛輪或計(jì)算機(jī)控制，從而合成一條漸開線。磨削時(shí)最常用的方法是加工同一齒槽的一個(gè)齒面后再加工另一個(gè)齒面。由于是線接觸，磨削瞬間產(chǎn)生極高的溫度，又因?yàn)樯拜喤c齒面接觸面積較小，在齒面上形成的壓強(qiáng)較大，對表層拉應(yīng)力也較大，這種加工方法最容易產(chǎn)生裂紋。但它在磨削時(shí)沖程較大，一般粗磨為90m/min。各嚙合線之間有間隔時(shí)間差，又有利于散熱。因此“展成磨”不易產(chǎn)生表層回火這種過熱燒傷，見圖9。

　　VT中間軸為多聯(lián)齒，受零件結(jié)構(gòu)限制，齒圈A 和齒圈 B 只能采用成型磨齒機(jī)，它的進(jìn)給方向垂直于加工工件，即徑向進(jìn)給，見圖10。成型砂輪的形狀等于最終齒型形狀，但齒槽在未加工前形狀較窄(因?yàn)橛辛裟チ?。根據(jù)齒輪的原理，當(dāng)砂輪遠(yuǎn)離齒圈時(shí)，砂輪會與齒輪上壓力角較小的位置先接觸，并非砂輪和齒輪設(shè)計(jì)的壓力角重合，因此在前期磨削過程中，齒輪分度圓以上的部分并未參加切削。而分度圓下端，特別是滾刀過度弧上端位置，刀量去除較大。隨著徑向的進(jìn)給，齒輪下端量值減少而上端量值增大，這樣在相同的徑向進(jìn)給量的前提下，就形成了不同的金屬去除量。成型磨多為雙面磨削，即砂輪對一個(gè)齒槽的左右齒面同時(shí)進(jìn)行切削，沖程進(jìn)給緩慢。一般粗磨為2500～3000mm/min, 進(jìn)給量較大，而且對同一齒槽連續(xù)磨削多次，這樣就形成了砂輪與齒面接觸痕跡為兩個(gè)面。由于是連續(xù)磨削，極不利于散熱和冷卻液的進(jìn)入，成型磨齒機(jī)容易引起齒面的表層回火及二次淬火燒傷。但是由于它的磨削為兩面平衡受力，且接觸面積較大，對齒面的拉壓應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋。以上分析表明，成型磨齒機(jī)的磨削原理決定了磨削燒傷的傾向性很大。

　　砂輪選擇對磨齒燒傷的影響

　　CBN 是硬度僅次于金剛石的超硬切削材料之一，是在約50kbar的高壓和1700℃的高溫下形成的材料。它于1957 年由美國GE 公司首次合成，隨后得到了廣泛的應(yīng)用。

　　CBN 砂輪磨削特性：1)CBN 硬度僅次于金剛石，而遠(yuǎn)高于其他普通磨料，高硬度意味著切削能力更強(qiáng)，其機(jī)械強(qiáng)度是碳化硅磨料的2 倍多，韌性比金剛石高，可以磨削各種高強(qiáng)度、高硬度的鋼材和鑄鐵。其砂輪耐用度與磨削效率是其他普通磨料砂輪所不能及的。

　　2) CBN砂輪的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性極高，在1200℃下仍可保持硬度不變。

　　3) CBN砂輪的化學(xué)惰性高，穩(wěn)定性好，特別是與鐵、碳沒有明顯的化學(xué)親和力，這決定了它在磨削鐵族金屬時(shí)的價(jià)值。

　　4) CBN砂輪具有高耐磨性，這意味著它比普通磨料更難磨損，保持磨粒形狀的能力是 CBN 作為高性能磨料的主要特性之一。

　　CBN 砂輪選擇：在制造和選擇 CBN 砂輪時(shí)主要考慮以下四個(gè)因素的影響。

　　(1)結(jié)合劑

　　CBN 磨具常用的結(jié)合劑有樹脂、金屬、陶瓷和電鍍，其中，陶瓷結(jié)合劑的 CBN 磨具發(fā)展最快。在世界范圍內(nèi)，陶瓷 CBN 磨具的占比已達(dá)到50%以上。這緣于陶瓷 CBN 磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長。

　　(2)磨料

　　磨削時(shí)，磨料是磨具中的主體，它的性能直接影響著磨削的效果。不同牌號的 CBN 磨料，因制造工藝的不同，晶體形態(tài)、顆粒形狀也不同，具有不同的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)侵蝕性和破碎特性。應(yīng)根據(jù)工藝和使用要求選擇不同牌號的磨料。需要指出的是，CBN 磨料在高溫下易與水和堿性氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，這是在選擇磨削液時(shí)必須考慮的因素。

　　(3)濃度

　　根據(jù)規(guī)定，磨料在磨具中濃度為100%時(shí)，每立方厘米含 4.4 ct(0.88g) 的磨料，此值相當(dāng)于體積的 25% 。濃度代號規(guī)定見表2。

　　砂輪濃度的高低代表了在磨削時(shí)砂輪工作面積上參與磨削的磨粒的多少。高濃度可帶來高的磨削比。提高濃度還可以降低工件表面的粗糙度，但同時(shí)會增加磨削力并產(chǎn)生更高的磨削熱。

　　(4)硬度

　　磨具的硬度等級表示結(jié)合劑對磨料把持力的大小，它是制造商工藝控制的重要指標(biāo)，也是用戶選擇磨具的主要性能參數(shù)。目前國內(nèi)還未制定硬度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　CBN 砂輪使用時(shí)應(yīng)考慮的問題：

　　(1)CBN 砂輪需要采用高砂輪速度

　　提高砂輪工作線速度，可以明顯提高磨削效率和磨削比，減小砂輪上承受的磨削力，減小磨損。目前，成型磨齒機(jī)CBN 砂輪線速度為30~35m/s 。在條件允許的情況下，盡可能使用高速度是提高 CBN 磨削技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

　　(2)磨床需要有高剛性和良好的抗振性

　　高速磨削和 CBN 砂輪磨削的特點(diǎn)，要求機(jī)床主軸和整體具有高剛性和良好的抗振性，從而保證磨削工件的精度和表面質(zhì)量，這是CBN高速磨削技術(shù)對磨床的基本要求。不具備這樣的條件，在使用CBN 砂輪時(shí)，要想獲得更高的金屬去除量，工件的幾何精度和表面質(zhì)量就會變差。波紋是常見的表面質(zhì)量缺陷，由振動造成。引起振動的原因是機(jī)床剛性低、抗振性差或砂輪參數(shù)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致磨削力過大，這會直接影響砂輪的磨損程度，使磨削比降低，磨削加工成本大幅度提高。更為嚴(yán)重的是機(jī)床的弱剛性會產(chǎn)生嚴(yán)重的粘屑，使砂輪不能繼續(xù)磨削，需要修整砂輪后才能正常磨削。修整頻次的增加會加劇砂輪的損耗，使加工成本大幅增加，同時(shí)使磨削表面產(chǎn)生振紋和燒傷，表面粗糙度變壞。

　　(3)CBN 砂輪的修整

　　使用金剛滾輪修整，不僅可提高修整效率，還可獲得較好的砂輪形貌。使用其他修整工具，很難完成對高硬度砂輪表面的修整。修整裝置的進(jìn)度精度要高，每次進(jìn)給量應(yīng)能達(dá)到微米級。

　　(4)CBN 砂輪需要專用磨削液

　　磨削中，90%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能必須被冷卻液最大限度地吸收并帶走，否則工件就會燒傷。對 CBN 砂輪來講，還要考慮 CBN磨料與水在高溫下所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)對磨料的破壞。正確選擇冷卻液種類和冷卻工藝參數(shù)，往往會收到事半功倍的效果。使用不同的冷卻液，會使砂輪的磨削比相差幾倍甚至十幾倍。

　　參考文獻(xiàn)略.