蜗杆类零件磨削裂纹及对策

　　蜗杆是机床回转部件中的重要零件，工作时蜗杆螺旋表面与蜗轮齿面相对滑动，容易发生磨损，因此蜗杆常用渗碳钢经渗碳淬火处理，以获得较高的硬度，防止蜗杆螺旋表面发生磨损。蜗杆类零件的精度要求很高，加工工艺复杂、工序长，如在加工过程中出现问题，将造成重大损失。我公司一种蜗杆零件在磨削加工时出现磨削裂纹，导致零件报废，严重影响了生产进度。
　　1.蜗杆材料及主要工艺流程
　　此蜗杆材料为20CrMnTiH，形状如图1所示，热处理要求为渗碳淬火，渗碳层深1.1～1.5mm，淬火后表面硬度58HRC。
　　图 1
　　蜗杆加工工艺流程：下料→锻造→正火→粗车→除应力→精车→渗碳→螺纹处去碳→淬火→粗磨→无损检测→时效→精磨。
　　热处理过程：锻件正火→渗碳→淬火→低温回火→矫直→除应力→低温时效。热处理工艺过程曲线如图2所示。
　　图 2
　　渗碳淬火后，经检验碳化物1级，渗碳层深1.32mm，表面硬度59～60HRC。
　　2.裂纹现象描述
　　粗磨后蜗杆齿面出现磨削裂纹，裂纹极细，直线状，深度较浅，形态为通常所说的＂发纹＂，裂纹不平行，呈散射线状，如图3所示。
　　图 3
　　3.磨削裂纹产生原因分析
　　磨削裂纹与一般淬火裂纹明显不同，淬火裂纹粗而深，数量少；磨削裂纹只发生在磨削面上，数量较多，深度较浅，且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向呈条状裂纹。此蜗杆齿面是螺旋状曲面，磨削方向如图3中箭头所示，裂纹垂直于磨削方向，符合磨削裂纹的特征。
　　热处理后的零件在磨削加工时，由于砂轮变钝未及时修整、磨削深度过大以及冷却不充分等原因，可使磨削区内瞬间高温达到400～1500℃，从而发生磨削烧伤和磨削裂纹，引起零件表面组织、显微硬度、残余应力、力学性能等发生变化。
　　磨削裂纹的形成与工件硬度有关，硬度小于55HRC的工件虽可能发生烧伤，但产生磨削裂纹的情况极少，60HRC以上的工件，都会使磨削裂纹发生的可能性大为增加。该零件实测硬度59～60HRC，大大增加了产生磨削裂纹的倾向。一方面，磨削条件不当或磨削不规范时，被磨削的表面首先会形成一个个较强烈的烧伤中心，造成不均匀的热应力，在交替的高温与急冷下应力值渐增，应力超过材料的强度极限时，被磨削的表面就会产生裂纹。另一方面，表层渗碳淬火组织中的残留奥氏体，在磨削时受强烈的磨削热的影响及冷却液的冷却，将会转变为新生的马氏体，引起零件表面局部体积膨胀，加大了零件表面拉应力，导致应力集中，继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生。此外，新生的马氏体脆性较大，磨削也容易加速磨削裂纹的产生。
　　此蜗杆螺旋表面在磨削时，砂轮与零件的接触面积较大，一方面产生的磨削热大，另一方面冷却液也不容易进入磨削区域对磨削面进行有效降温，因此蜗杆螺旋表面由于磨削而产生的热量，足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火成为淬火马氏体；表面层的残留奥氏体也会在急热急冷的作用下转变为马氏体，使表面层产生附加的组织应力，再加上磨削所形成的热量使零件表面薄层的温度升高极快，这种组织应力和热应力的迭加就会导致磨削表面出现磨削裂纹。
　　从以上分析知道，产生磨削裂纹的根本原因在于有应力存在，要防止发生磨削裂纹，就要减少和消除零件表面的各种应力。
　　4.磨削裂纹的防止措施
　　（1）热处理方面
　　残留奥氏体的转变增加了零件表面的组织应力，因此，应降低残留奥氏体的含量。过高的淬火温度使淬火后残留奥氏体量增加，可适当降低淬火温度，淬火温度由原先840℃降低至820℃，减少残留奥氏体的形成；同时增加-60℃×2h的冰冷处理，促使奥氏体转变为马氏体，并在随后的低温回火中转变为稳定的回火马氏体组织，防止磨削时产生组织应力。粗精磨之间的低温时效时间由8h延长至12h，充分消除磨削造成的应力。
　　（2）磨削工艺方面
　　磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。原磨削工艺已分粗精磨，现在选用粒度较粗的软砂轮进行粗磨，及时清除砂轮表面积屑，减少磨削深，增加磨削次数，减小工作台速度，可以降低磨削热。然后再用粒度细的砂轮进行精磨（磨削深较浅），同时增大冷却液流量，对磨削表面充分冷却，防止磨削区升温过快而产生热应力。
　　5.结果
　　改进后的热处理工艺曲线如图4所示，热处理后渗碳层深度、碳化物、表面硬度检验均正常。
　　图 4
　　选用较为锋利的砂轮，及时修整砂轮，保持砂轮锋利，也是一种简单易行的减少磨削裂纹的措施。改进后蜗杆磨削正常，再没有磨削裂纹现象发生，保证了产品质量和生产进度。