磨削裂紋是碳素鋼和滲碳鋼經(jīng)熱處理淬火后，在磨削時比較常見的加工質(zhì)量問題，磨削裂紋通常情況下較淺，一般深度為0.02～0.20 mm，且裂紋垂直于或大致垂直于磨削面。然而，筆者在近幾年的失效分析中發(fā)現(xiàn)，有些磨削裂紋深度是前述最大深度的5倍，約1mm 深，且裂紋并非垂直或大致垂直于磨削面向縱深發(fā)展，而是起裂于表層，然后改變方向，最終沿平行于磨削面的淺表層發(fā)展。

　　某齒輪滲碳淬火后，對花鍵齒頂、齒面、齒根進(jìn)行磨削，花鍵齒頂采用外圓磨，齒面及齒根采用成形磨，磨削完成后進(jìn)行磁粉檢測時發(fā)現(xiàn)數(shù)個花鍵齒頂及齒根有裂紋，花鍵齒頂裂紋呈細(xì)網(wǎng)狀，齒根裂紋呈粗網(wǎng)狀，如圖1所示，圖1a)中裂紋為常見磨削裂紋，圖1b)中裂紋即為上述的非常見磨削裂紋。因此，筆者采用化學(xué)成分分析、非金屬夾雜物檢測、金相檢驗等方法，對該裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并從應(yīng)力角度對磨削裂紋進(jìn)行分類。

　　圖1 齒輪齒頂和齒根裂紋宏觀形貌

　　1 理化檢驗

　　化學(xué)成分分析： 對齒輪未滲碳部位進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢婟X輪的化學(xué)成分符合EN10084-2008《滲碳鋼——交貨技術(shù)條件》的要求。

表1 齒輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

　　非金屬夾雜物檢驗：依據(jù) GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，對該齒輪沿軸向取樣，對其進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗?？梢娖浞墙饘賷A雜物主要為球狀氧化物，夾雜物評級結(jié)果為：A(硫化物類)細(xì)0級，B(氧化鋁類)細(xì)0級，C(硅 酸鹽類)細(xì)0級，D(環(huán)狀氧化物類)細(xì)0.5級;滿足 A 類、C類、D類非金屬夾雜物不高于1.5級，B類非金屬夾雜物不高于1.0級的企業(yè)技術(shù)要求。

　　金相檢驗：沿齒頂裂紋處將試樣剖開，以便觀察裂紋縱向形態(tài)，齒頂裂紋縱剖面微觀形貌如圖2所示。可見在齒頂處有深約0.20mm 的縱深裂紋，裂紋大體垂直于齒頂向里延伸，裂紋在齒頂表面處開口較大，向內(nèi)逐漸變細(xì)，尾部沿晶發(fā)展呈尖細(xì)狀，如圖3所示。在齒頂局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有白亮組織，如圖4所示。將試樣230 ℃低溫回火3h后，白亮組織消失，由此可推斷該白亮組織為磨削二次淬火，二次淬火組織經(jīng)回火后轉(zhuǎn)變成回火馬氏體組織，與基體組織無差異，故而“消失”。

圖2 齒頂裂紋處縱剖面微觀形貌　

圖3 齒頂裂紋微觀形貌　　

圖4 齒頂表層白亮組織的微觀形貌

　　將齒根裂紋沿平行于齒端平面剖開，觀察齒根裂紋形貌，如圖5所示，可見裂紋未沿縱深方向擴(kuò)展，而是沿淺表層延伸，最深處約1.00mm，裂紋在表層開口較寬大，末端較尖細(xì)且沿晶發(fā)展，在齒根裂紋附近有白亮組織。　　

圖5 齒根裂紋微觀形貌

　　2 分析與討論

　　由以上理化檢驗結(jié)果可知，在該齒輪齒頂發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)狀龜裂，表層金相存在白亮組織，經(jīng)230℃低溫回火后白亮組織消失，可推斷白亮組織為二次淬火組織;從裂紋形態(tài)來看，齒頂裂紋呈細(xì)網(wǎng)狀，深度較淺，約0.2mm 深，且裂紋從表面向縱深發(fā)展，大致垂直于齒表面，屬典型網(wǎng)狀龜裂磨削裂紋。齒根發(fā)現(xiàn)少量的白色組織也為二次淬火組織，但與齒頂?shù)湫湍ハ骷?xì)網(wǎng)狀龜裂裂紋不同，齒根裂紋呈粗網(wǎng)狀，通過解剖發(fā)現(xiàn)，裂紋并非沿縱深方向發(fā)展，而是改變方向，最終沿平行于表面的淺表層方向進(jìn)行擴(kuò)展，橫穿齒根裂紋的擴(kuò)展方向與磨削方向一致，且裂紋較深達(dá)1.0mm。該類裂紋產(chǎn)生的主要原因是磨削齒輪時進(jìn)刀量過大，使摩擦應(yīng)力陡增，摩擦應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用，將材料表面拉裂。

　　由磨削造成的裂紋統(tǒng)稱為磨削裂紋，按裂紋形狀可分為網(wǎng)狀、放射狀、蜷曲狀、星點狀;按磨削熱致使工件表面溫度上升，導(dǎo)致表面發(fā)生兩次收縮而產(chǎn)生裂紋，可把磨削裂紋分為由第一次收縮引起的第Ⅰ類裂紋和由第二次收縮引起的第Ⅱ類裂紋。以上分類從裂紋的形態(tài)特征和裂紋產(chǎn)生的原理上對磨削裂紋進(jìn)行了分類，從而可以鑒別和預(yù)防磨削裂紋。然而前文中深度較深的磨削裂紋是一種不太常見的磨削裂紋，為將該類磨削裂紋與常見磨削裂紋進(jìn)行區(qū)分，筆者從致使磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度，對磨削裂紋進(jìn)行了分類，將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋。從應(yīng)力角度來講，零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開裂是由于應(yīng)力超過了材料抗力。在磨削加工過程中，在上次進(jìn)刀磨削后，零件表面有組織應(yīng)力、熱應(yīng)力以及表面的塑性變形應(yīng)力，這幾種應(yīng)力均屬于殘余內(nèi)應(yīng)力，再次進(jìn)刀進(jìn)行磨削時，表面除受以上殘余內(nèi)應(yīng)力外，還受摩擦應(yīng)力，進(jìn)刀量越大，摩擦應(yīng)力也越大，轉(zhuǎn)換的熱能則越多，若冷卻條件不變，熱應(yīng)力、塑性變形應(yīng)力的殘余內(nèi)應(yīng)力也越大。殘余內(nèi)應(yīng)力與摩擦應(yīng)力共同存在，在殘余內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋向縱深方向發(fā)展，且深度較淺，一般為0.02～0.20mm，并且多數(shù)裂紋是在磨削完成后一段時間才產(chǎn)生，該類裂紋筆者將其稱為內(nèi)應(yīng)力磨削裂紋;在摩擦應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋，裂紋從表面起裂，最終朝平行于表面的淺表層方向擴(kuò)展，且深度較深，該類裂紋在磨削當(dāng)時便產(chǎn)生，筆者將其稱為摩擦應(yīng)力磨削裂紋。

　　3 結(jié)論及建議

　　(1)該齒輪齒頂、齒根裂紋是因為磨削齒輪時進(jìn)刀量過大，使得摩擦應(yīng)力陡增，該摩擦應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力的共同作用下，將材料表面拉裂。

　　(2)從致使磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度對磨削裂紋進(jìn)行了分類，將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋，該齒輪齒頂裂紋屬于內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋，齒根裂紋屬于摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋。

　　(3)建議在磨削齒輪時減小進(jìn)刀量，使摩擦應(yīng)力降低，防止此類齒輪磨削裂紋的發(fā)生。