凸轮轴磨削裂纹分析

凸轮轴磨削裂纹分析（精选4篇）

凸轮轴磨削裂纹分析 篇1

0 引言

随着我国汽车工业的快速发展, 对于汽车零部件的质量提出了越来越高的要求。在众多的零部件中, 凸轮轴就是其中一个关键部件, 由于凸轮轴零件的形状较复杂、加工精度要求高, 一直是零部件制造难题之一。

凸轮轴的截面呈桃形, 而不是通常所见的圆形, 所以在磨削过程中, 随着凸轮轴工件 (C轴) 的旋转, 磨床砂轮架 (X轴) 也必须保持同步进给, 这种加工方法既能加工圆形工件, 又能加工非圆工件, 而且比传统的靠模加工方式具有机械结构简单、精度高且精度容易保持的优点[1]。

国外对凸轮轴磨削技术的研究90年代前就已经开展, 并已应用到实际机床上, 如瑞士STUDER (斯图特) 提供有Studer Form HSM非圆高速磨削软件, 提供有生动的图形编程环境, 可以自动而精确地计算所有的相应技术数据, 并提供多种跟踪监测非圆形状误差和偏移的修正和分析选项, 加工效率比传统非圆磨削快3~8倍[2]。

国内各机床制造厂家一般自行通过对数控系统进行二次开发实现凸轮轴磨削功能, 如基于西门子840D数控系统的OEM开发软件包等。但是进口系统的价格昂贵, 开发难度也较大, 实现的非圆磨削功能实际的运行效果也不尽如意。为此, 上海电气中央研究院和上海机床厂合作, 以数控凸轮轴自动化控制项目为背景, 实现了一个凸轮轴的磨削加工环境CCAM (Cam Computer Aid Manufactruing) 模块, 实现了非圆磨削功能, 改善了凸轮轴表面粗糙度。

1 凸轮轴磨削的数学模型

凸轮轴磨削的数学模型是指在磨削加工时根据凸轮轴轮廓描述数据, 计算得出的C轴和X轴之间的联动关系, 依此控制两轴的相对位置, 从而磨削出理想轮廓的工件。一般, 凸轮轴的轮廓数据由凸轮轴推杆的升程表来进行描述, 这个升程表是一个二元数据表格, 由推杆转角值和推杆升程值两个元素组成。

在凸轮轴推杆升程表中, 对应于表格中最小的升程值处, 称为基圆, 而最大升程值处称为桃尖, 由基圆至桃尖的过程称为升程, 而由桃尖至基圆的过程称为回程。如图1所示。

凸轮轴推杆可以分为以下三种:平面推杆、滚子推杆和刀尖推杆。凸轮轴的设计是根据推杆运动规律, 制定出推杆转角和推杆升程之间的对应关系。下面以滚子推杆为例, 推导凸轮轴磨削的数学模型。如图2是凸轮轴磨削示意图。为了便于观察将滚子标注上, 实际加工中并不存在。

其中, 凸轮轴中心位置为O, 滚子中心为O1, 砂轮中心位置为O2, 滚子半径为r1, 砂轮半径为R, 凸轮基圆半径为r, 首先假设凸轮转角为φ, 则相应得推杆转角为θ, 凸轮升程为H, 磨削点的转角为β。则推导出下面公式[1]。

以上已经求出推杆转角θ与X坐标值之间的关系, 但在实际加工零件时, 需要知道的是凸轮工件转角φ对应的X值, 故还要求出φ和θ的关系式, 以建立凸轮转角φ和磨床砂轮架X之间的关系。

(1) 、 (2) 两式是滚子推杆的磨削算法模型, 平面推杆可以将滚子看做半径r1无穷大的情况, 而刀尖推杆可以看做滚子半径r1为零的情况。因此这个公式对凸轮轴推杆具有普遍适用性。

2 算法实现

通常情况下, 加工工艺指令单给出的凸轮轴轮廓数据是一系列的离散数据点, 直接采用这些离散数据点来确定凸轮轴磨削的数学模型是无法满足计算要求的, 特别是数学模型中存在求导问题的时候, 必须要对这些离散的数据点进行拟合才可以得到较好的加工精度。CCAM模块采用了三次样条曲线的拟合方法, 三次样条拟合具有一阶和二阶导数连续的特点[3], 曲线光滑, 符合非圆曲线的轮廓要求。

鉴于Matlab语言提供有该算法所需的三次样条曲线拟合函数, 且Matlab在自动化控制中已被广泛应用, 可靠性具有保证, 所以CCAM模块的核心算法在Matlab环境中实现, 达到了缩短软件开发周期的目的。

通过Matlab COM Builder (组件编译器) 将M函数文件转换成COM组件[4], COM组件是进程内组件, 它以DLL的形式存在。然后在其他开发环境, 如VB中就可以使用该组件[5]。以下是在Matlab环境下编写的控制算法文件 (文件名:interpolate.M) 。

其中, r、R、theta、H、Epuxiron是输入参数, r表示滚子半径, R表示砂轮半径, theta、H分别对应凸轮轴推杆升程表中的转角值和升程值这两个元素, Epuxiron表示加工的余量值。XLine是输出值, 表示机床砂轮架位移值。

3 理论控制精度分析

至此, 对于凸轮轴磨削, 已经得到凸轮轴转角φ与机床砂轮架X轴之间的数学模型, 可以求出凸轮轴任意转角时候, 对应的X轴位置。但是数控系统一般只具有直线插补和圆弧插补的功能, 故在实际加工中, 需要把以上控制算法求出的理想曲线进行分割, 由NC程序控制机床各轴沿着分割点逼近理想曲线。这样做的结果, 必然存在一个指令位置误差的问题。比如, 在加工的时候, 当以直线插补方式逼近, 以凸轮轴转角1度为分辨率, 产生的指令位置误差如图3, 水平方向为凸轮轴转角, 垂直方向为指令位置误差, 单位是毫米。

从图3中可以看出, 在凸轮轴的整个转角范围内, X轴的绝大部分位置指令误差小于0.003毫米, 在加工允许范围内。但在125O、126O、127O、128O区域内有一个突变, 最大值发生在126O~127°区域, 大小为0.03毫米, 远远超出允许的误差范围。故在125O、126O、127O、128O区域内, 需要进行合理的数据点密化, 可以得到符合加工要求的位置指令。如图4所示, 把125O~128O区域内的数据点细化成0.3度, X轴的指令位置误差小于0.006毫米, 在允许的误差范围内。

4 国产数控系统中凸轮轴磨削的实现

4.1 HMI人机界面实现

为实现凸轮轴磨削功能, 需要提供一个人机交互界面 (HMI) , 用于用户输入凸轮轴的轮廓参数以及磨削中使用的工艺参数。此外, 为了验证NC (数控) 程序的正确性, 也需要一个仿真功能, 对系统生成的程序进行模拟加工, 以便能提前发现问题, 避免系统和机械故障。

CCAM模块采用Active X控件形式实现, 软件的开发环境为VB6.0。根据使用要求, CCAM模块由零件参数和工艺参数设定、文件预览修改、轨迹仿真等子模块组成。如图5、图6、图7所示。

4.2 实际磨削结果

上海机床厂MK8332×1250数控凸轮磨床采用CCAM模块进行磨削实验, 机床的凸轮轴工件C轴采用力矩电机, 力矩电机具有大惯量的优点, 可防止负载突变。加工中, 设定磨削线速度为8000mm/Min, 进给量为20µm/r, 砂轮转速为1500RPM, 加工试件如图8所示。

加工试件后发现试件的表面粗糙度较差, 其总体分布情况是基圆、顶圆处较小, 在升程和回程处最大, 最大表面粗糙度为3.2µm。通过分析认定是由于在升程段和回程段, 凸轮轮廓形状变化较大, 造成X、C轴, 特别是X轴的速度和加速度的剧烈变化, 在饲服系统存在一定滞后值的情况下, 在试件表面产生一系列波纹。通过减小在这些位置的加工速度, 可以避免或减小波纹的产生。实际的再次加工也验证了这个判断, 把第二个试件在这两个区间的加工线速度减至2000mm/Min, 经加工后, 在升程段和回程段也同样有较好的表面粗糙度, 最大表面粗糙度为0.775µm, 如表1所示, 达到工艺单对试件的表面粗糙度要求。

5 结束语

通过在国产数控系统SE300的CCAM模块在MK8332×1250数控凸轮磨床上的应用, 表明国产数控系统可以实现凸轮轴磨削的功能, 达到要求的表面质量指标, 能适用于高档数控磨削机床。接下来, 以已有成果为基础, 通过开展对磨削加工工艺的研究, 如加工速度对表面质量和精度的影响、砂轮材料和冷却方式的作用, 进一步提高磨削的加工效率和质量, 为我国磨床行业的技术进步做出努力。

参考文献

[1]王淑君, 韩秋实, 等.基于恒磨除率的凸轮轴变速磨削研究[J].北京:北京机械工业学院学报, 2006 (2) :9-12.

[2]斯图特.使非圆磨削和模具磨削变得轻松[J].北京:现代零部件, 2008 (5) :66.

[3]颜庆津.数值分析[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1991, 11:172-184.

[4]王忠礼, 段慧达, 等.MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用[M].北京:清华大学出版社, 2007:9-13

[5]张树兵, 戴红, 等.Visual Basic 6.0中文版入门与提高[M].北京:清华大学出版社, 1999:316-326.

刃口磨削裂纹产生机理分析 篇2

目前,世界各类刀具市场的年贸易总额在8亿美元左右,而其中刀剪类商品的年销售额约8亿美元。目前,我国的刀剪年产值约20多亿元人民币,年出口创汇4 000多万美元[1],市场空间非常广阔。

在加工过程中,由于磨削等原因[2],容易产生裂纹,引起刀剪刃口卷裂或产生缺口。有些成品表面虽然无此情况出现,但经一段时间的使用后也会出现刃口卷裂或缺口现象。

本研究拟通过分析刀剪磨削裂纹产生的原因及刀剪的磨削力和磨削应力,以采取措施提高产品质量。

1国内外差距

我国刀剪产品与国外的差距主要有以下几点:

(1) 外观处理。

国外产品其先进的表面处理技术,使刀剪产品锦上添花,提高附加值。而我国刀剪表面电镀层光泽较差,锤击印、表面挫伤、油漆流疤较为常见[3]。国外刀剪产品不仅表面采用较先进的技术,而且设计、造型和包装根据不同的消费市场而定,总体设计美观大方,包装精美,标识统一,注重品牌。

(2) 加工工艺。

我国产品相对较为粗糙,轮廓不清晰,手感较差。特别在磨削、抛光加工工艺上相对落后,加工设备精度不高。

(3) 热处理质量。

国产刀剪热处理加工容易产生变形、开裂和硬度不足[4]。例如,一对刀剪的两片,其硬度差值较大,即一片硬度高,一片硬度低,使得刀剪耐用度降低。

2刀剪工艺

(1) 磨削抛光工艺。

先进国家制造刀剪大多按刀剪产品的规格尺寸、形状提供异形带钢,可减少70%以上的抛磨量。对刀剪刃口的磨削和抛光,采用刀剪磨床、双面磨刀机、双圆台磨床、砂带机、自动研磨机、数控抛磨机[5]等先进设备加工。刀剪的刃口磨削质量高,几何角度统一,表面粗糙度低,磨削纹路细腻。而国内大多数企业仍采用手工磨削和抛光,刀剪质量不高,即使部分企业购买了国产的刀剪磨床、砂带机等设备投入使用,加工出来的刀剪质量与国外产品尚有差距。差距主要在于对磨削技术缺乏深层次的研究,刀剪磨削与普通机械零件的磨削不同,刀剪磨削深度大,为一次性强力曲面成型磨削,所以磨削力大、磨削热量高。

(2) 热处理工艺。

热处理工艺是决定刀剪产品质量的关键工序之一。据全国刀剪行业信息中心调查,选用不同的热处理工艺处理的产品质量有很大不同。检测结果表明,先进国家的高档产品的硬度值高而且均匀,同一把刀剪硬度差值很小,金相组织显示:晶粒细小、回火马氏体组织均匀,充分发挥了材料经热处理后的组织性能,确保了刀剪使用时具有的最佳性能。而国内不少企业在热处理时满足于规定的硬度要求,各项工艺指标参差不齐。

3裂纹形成原因

刀剪裂纹的产生原因主要有以下3点:

(1) 刀身排料不合理。在不锈钢板落料时,为了提高材料利用率,有部分刀身刃口与板材压延方向垂直。在生产中发现,这批刀身在热处理时易产生严重的“S”形变形,磨削时也易开裂,在开裂刀具的金相组织中发现多例。

据分析,不锈钢板在锻造、压延过程中,不锈钢板中的树枝状晶体、碳化物、缩孔、气泡及疏松等沿加工方向被延伸拉长,形成彼此平行的线条,称为流线。这种流线防线(纵向)与垂直于流线方向(横线)之间的力学性能及淬火变形趋势呈明显差异。据有关资料介绍,横向比纵向强度低40%～60%,塑性低50%～70%。因此,钢材低倍组织的流线对刀具热处理的变形和随后的磨削开裂有较大影响。

(2)热处理工艺控制不严。热处理工艺控制不严主要表现为高频操作不规范、加热温度过高、保温时间过长,使奥氏体晶粒长大,淬火后马氏体针状粗大,且残余奥氏体量增多,应力和脆性增大,容易产生淬火变形和磨削开裂。

回火不足(主要指回火温度偏低或时间短)也会导致刀具磨削时开裂[7]。这是因为回火不足造成淬火马氏体转变成回火马氏体不完全或残余奥氏体转变不完全,淬火后产生的较大内应力未能完全消除和磨削时产生的内应力合在一起,超过强度极限时,造成刀具开裂。

(3)磨削工艺不当。观察刀剪的裂纹位置发现裂纹开裂有一定的规律,即裂纹大部分产生在转盘式磨刀机圆盘的冷却水槽交界处。据此分析,刀剪在磨刀机上磨削时磨削量大(0.4 mm～0.6 mm),磨削力大,刀剪表面在砂轮的切削滚挤及摩擦力作用下,表面层金属温度急剧升高,使原来的回火马氏体组织转变成奥氏体组织,其比容减小,体积收缩,产生很大应力,加上冷却不均匀,因而在砂轮挤压及热应力综合作用下及内应力大于材料本身强度极限时即产生脆断。

4理论分析计算

磨削过程中,砂轮和被磨刀剪之间存在磨削力、磨削应力。由于刀剪产品磨削的特殊性,在刀剪产品生产中一直没有进行详细的裂纹计算,下面根据刀剪的磨削力简要分析刀剪计算公式[7]。

4.1磨削力

磨削过程中,砂轮和被磨刀剪之间的磨削力有切向磨削力Ft和法向磨削力Fn,其大小为:

$F{}_t=\frac{{\rm P}{}_E\eta {}_E}{\text{π}n{}_{s}D{}_s}\times 10{}^6$(1)

Fn=cFt (2)

式中 c—1.5～3.2;PE—磨头电动机实测功率,kW;ηE—电动机传动效率;ns—砂轮转速,r/s;Ds—砂轮直径,mm。

4.2受力截面积

磨削时,砂轮上凸出的砂粒先擦滑、耕耘、再切入工件,使工件随砂轮转动和工件移动或转动,达到规定的磨削深度。当砂粒切入工件时,工件表面总应力σ必须大于强度极限σb才能磨去加工量,所以横截面受力面积为磨粒切入深度与磨削宽度之积。设刀剪磨削磨粒切入深度为h,磨削斜面宽度为b,则受力横截面积为:

A=bh (3)

4.3磨削应力

(1) 切向磨削应力σTt。

刀刃截面较薄,切向磨削力可视为产生一侧裂纹的拉力,故有拉应力为:

$\sigma {}_{{\rm T}}=\sigma {}_{{\rm T}t}=\frac{F{}_t}{A}=\frac{F{}_t}{bh}$(4)

此应力是产生张开型(Ⅰ型)裂纹的根源。

(2) 法向磨削应力σTn。

法向磨削力引起刀刃切向应力,是刀刃产生撕裂型(Ⅲ型)裂纹的根源。故有法向应力为:

$\sigma {}_{{\rm T}n}=\tau {}_n=\frac{F{}_n}{A}=\frac{F{}_n}{bh}$(5)

53Cr13不锈钢刀剪防裂纹措施

对刀剪磨削裂纹的金相组织的观察和对裂纹形成机理的研究表明:排料不合理、热处理工艺不当和磨削应力大是产生裂纹的主要原因。针对3Cr13不锈钢刀剪可采取如下措施避免裂纹的产生:

(1) 改变不合理的排料,使刃口与板材金属流线平行;

(2) 严格掌握热处理工艺,控制好高频电流参数和淬火温度,并适当提高挥霍温度和延长挥霍时间,以减少残余奥氏体量和内应力;

(3) 改树脂砂轮为菱苦土砂轮,通过减少砂轮硬度和增加砂轮的自锐性来减少砂轮对刀剪表面的切削和摩擦力;

(4) 控制磨削速度,吃刀量及冷却等磨削工艺参数,可降低磨削时的内应力;

(5) 磨削后增加一次去应力低温回火,温度在120～160 ℃,时间为2 h,可消除磨削中产生的内应力。

6结束语

本研究通过分析刀剪加工工艺,研究了刀剪裂纹的产生和扩展原因;根据刀剪的形状和磨削部位等,对刀剪磨削过程中的受力进行了理论分析,并给出了3Cr13不锈钢刀剪相应的避免裂纹产生的防范措施。

本研究为一般民用刀剪生产企业提高产品质量提供了一定的参考。

摘要：民用刀剪在加工过程中,由于磨削等原因,容易产生裂纹,引起刀剪刃口卷裂或产生缺口。首先分析了国内刀剪与国外产品之间的差距,简要介绍了刀剪的制造工艺,接下来针对裂纹形成原因,对刀剪磨削过程中的受力情况进行了理论分析。最后,结合3Cr13不锈钢刀剪,给出了加工过程中相应的避免裂纹产生的防范措施和方法。

关键词：民用刀剪,磨削,裂纹,分析

参考文献

[1]谢汝深.浅析刀剪产品磨削工艺及设备的改进[J].机电工程,2006,35(7):104.

[2]KANAZAWA K.Tribology in cutting ability of knife[J].Journal of Japanese Society of Tribologists,2005,50(6):435-440.

[3]钱泳,戴起勋,陈康敏,等.新型热剪刀片喷焊层组织和性能研究[J].热加工工艺,2005(6):34-36.

[4]王建国,王贵,刘晓刚.热剪刃表面堆焊层显微组织和性能研究[J].机械工程材料,1999,23(4):46-48.

[5]张广宏.高精度圆盘滚剪刀制造工艺的改进[J].工具技术,2002(8):66.

[6]罗文宣,薛俊峰,薄海青,等.整体硬质合金刀具磨削裂纹的原因分析及其工艺改进[J].工具技术,2006,40(6):37-40.

齿轮磨削裂纹原因分析及防止措施 篇3

在渗碳淬火硬齿面齿轮制造工艺中, 在磨齿过程时常会出现磨削裂纹, 在磨削时产生的拉应力减去渗碳淬火时形成的压应力后, 当其大于材料的断裂强度时就产生了裂纹。由此可见, 磨削裂纹的产生主要与工件热处理后组织状况、应力状况及磨削加工工艺过程有关。

1 齿轮磨削裂纹的形态特征

磨削裂纹特有的征状是裂纹与磨削道痕相垂直, 一般情况下磨削裂纹细、密、浅 (见图1) 。但在某些情况下 (如深层渗碳的齿轮) , 在成型磨齿机上磨齿时, 其磨削裂纹有会呈现出粗、深、长的特点, 出现的磨削裂纹可能与磨削道痕平行分布 (见图2) 。在产生磨削裂纹的齿面必定伴随磨削烧伤, 对产生磨削裂纹的齿面经4%硝酸酒精浸蚀后, 由于回火烧伤而呈深黑色, 此处硬度明显降低。更严重的经浸蚀后在齿面黑色区域中间有白色区域, 白色区域为磨削过程中产生再硬化 (二次硬化) , 此处硬度很高。

2 齿轮磨削裂纹产生的原因

2.1 热处理对齿轮产生磨削裂纹的影响

齿轮经渗碳淬火热处理后产生变形 (齿顶圆涨大、公法线涨大、椭圆、两端面挠曲等) , 可能会造成磨削后齿面出现黑皮、磨削不均、硬度下降, 甚至出现由于变形太大、磨削工艺没有作相应调整导致的报废。

齿轮热处理后金相组织的好坏是导致磨后是否产生磨削裂纹的关键因素之一, 所以碳化物、残余奥氏体、马氏体和铁素体的指标要从严控制, 不良组织也可能在磨削过程中诱发产生磨削裂纹。

2.1.1 热处理变形对磨削裂纹的影响

齿轮热处理后产生的过大变形给随后的磨削工序带来了一定的难度。磨削前若未找到变形最大的地方, 在磨削时就可能发生齿轮变形最大的几牙磨削量过大, 从而产生大的磨削热造成齿面烧伤, 甚至产生磨削裂纹。在成形磨齿机上磨齿时产生的磨削热集聚较大, 热影响区宽且深, 出现的磨削裂纹大都与磨削道痕平行分布, 磨削裂纹的形态呈网格状和弯曲状, 且裂纹具有长、粗、深特点 (见图2) 。

同一件齿轮的磨削裂纹出现在磨削后齿面的同一侧, 且齿向左旋的磨削裂纹大多出现在左侧齿面, 齿向右旋的磨削裂纹大多出现在右侧齿面, 磨削裂纹多数集中在轮齿节圆及节圆以下附近。

综上所述, 热处理变形是不可避免的。但只要变形量在加工余量范围内, 磨削加工中采用合适的磨削工艺就完全可以避免因变形因素而产生的磨削裂纹。

2.1.2 金相组织对磨削裂纹的影响

热处理后的金相组织 (碳化物、马氏体、残余奥氏体、渗碳层表面碳含量和碳浓度梯度等) 对磨削裂纹的产生有较大影响。

(1) 碳化物大小、数量、形态和分布对磨削裂纹的影响

碳化物数量过多, 特别是呈粗大网状或条块状时, 磨裂的敏感性显著增大。有资料表明, 当碳化物级别大于5级时, 如不采取措施, 60%以上工件磨削加工时会出现磨削裂纹。要求工件经热处理后的碳化物呈弥散分布的细颗粒状形态 (≤3级) , 从而提高材料的断裂强度、减小脆性, 这样磨削加工时可大大降低出现磨削裂纹的可能性。

(2) 马氏体形态和残余奥氏体数量对磨削裂纹的影响

形成粗大针状的马氏体时容易产生微裂纹, 且韧性低、塑性差、材料断裂强度降低, 导致磨削加工时可能会出现磨削裂纹。因此在热处理过程中要避免产生粗大针状的马氏体, 获得隐晶状和细针状马氏体 (≤3级) , 这样磨削加工时可大大降低出现磨削裂纹的可能性。渗碳层中适量且分布均匀的残余奥氏体能起到缓冲外力和使应力分布均匀的作用, 但过量的残余奥氏体会显著降低钢的强度、硬度。残余奥氏体又是不稳定的组织, 当磨削热造成齿面回火时产生组织转变, 会产生较大的组织应力, 诱发产生磨削裂纹。

(3) 渗碳层表面碳含量和碳浓度梯度对磨削裂纹的影响

渗碳层表面碳含量过高使脆性增大、碳浓度梯度下降过快, 这说明表层压应力层过窄, 而磨削深度直接影响到压应力层保留程度, 这些都可能会诱发产生磨削裂纹。目前渗碳层表面碳含量一般控制在0.7%～0.9%为宜, 碳浓度梯度下降得越平稳越好 (见图3) 。

2.1.3 回火温度和时间对磨削裂纹的影响

低温回火温度过低和回火时间不足, 未充分消除齿轮渗碳淬火过程中产生的残余拉应力, 则该残余拉应力与磨削过程中产生的拉应力迭加, 可能产生磨削裂纹。

2.1.4 淬火后立即回火对磨削裂纹的影响

渗碳淬火后出炉不空冷至室温而立即低温回火的齿轮, 表面残余压应力明显小于淬火后空冷至室温再低温回火的齿轮, 这主要是因为淬火后出炉不空冷至室温立即低温回火的齿轮表面残余奥氏体量较多, 表面相变时体积膨胀较小, 因而表面残余压应力较小。因此齿轮渗碳淬火后, 必须空冷至室温后才能回火, 以确保齿轮表面有较大的残余压应力, 避免产生磨削裂纹。

2.2 磨齿加工对齿轮磨削裂纹的影响

在磨削过程中砂轮和齿面接触瞬间, 磨削区的温度很高, 可能出现局部过热和发生表面回火, 严重的甚至出现磨削裂纹。

(1) 磨齿余量过大 (或热处理变形不均匀) 磨齿时会产生过多的磨削热, 引起热应力、组织应力与磨削拉应力迭加, 可增加产生磨削裂纹的倾向。

(2) 切削深度、进刀量越大产生的磨削热越多, 易产生磨削裂纹, 对于模数大的齿轮更是如此。此外砂轮转速高、冲程次数多;工件旋转速度快、切削力增大、产生的磨削热增加, 也可能导致磨削裂纹的产生。

(3) 砂轮选择不当, 也有可能产生磨削裂纹。砂轮越硬其多孔性越差, 在磨削过程中, 砂轮粒间的孔隙很快被磨粒堵塞。加上硬度高的砂轮自锐性差, 磨钝的砂粒又不易脱落, 造成砂轮与工件表面间出现挤光现象, 影响了热量散发, 增加了磨削热, 易产生齿面烧伤和裂纹。而软的砂轮磨损快且会影响磨齿精度。砂轮的粒度也会影响磨削裂纹的产生。粒度越小, 在单位面积内同时参加磨削的磨粒就越多, 相应的切削力和磨削热就越大, 容易磨裂。

(4) 冷却液和冷却方式对磨削裂纹有非常大的影响。冷却油温过高或油量不足易导致磨削热增加, 出现磨裂。

3 防止措施

3.1 优化热处理工艺

磨削裂纹的产生与热处理工艺及不良组织有很大关系, 因此优化热处理工艺是避免因热处理因素导致磨削裂纹产生的重要措施。

3.1.1 渗碳层表面碳含量和碳浓度梯度的控制

(1) 控制渗碳时碳势 (强渗阶段和扩散阶段的碳势) 以防止表面碳浓度过高。渗碳工艺中常用设定碳势如表1所示。除了要求高硬度齿轮可采用编号1设定碳势外, 宝钢苏冶重工有限公司 (以下简称“苏冶重工”) 多采用编号3和4来设定碳势, 采用此方法设定碳势, 虽然碳浓度控制得较好, 但出现了试样硬化层深度中表面超过655HV的深度略浅, 且渗速略慢。所以采用编号2设定碳势.可弥补以上两方面的不足。无论设定哪种碳势都必须在整个渗碳过程中定期挂片, 对炉内实际碳势进行测定和监控。

(2) 强渗时间和扩散时间的分配也直接影响到渗碳层深度、碳浓度和碳浓度梯度。适当降低强渗时间 (h1) 与扩散时间 (h2) 的比值, 即将h1∶h2=3.0降至2.5～2.7, 有利于碳化物级别控制在不大于2级, 碳浓度梯度平稳。

3.1.2 马氏体形态和残余奥氏体数量的控制

淬火后得到的条状或针状马氏体一般不穿过原奥氏体的晶粒, 因此, 获得细小奥氏体晶粒就能获得细马氏体组织, 随着淬火加热温度降低可获得马氏体细化。因此, 为了得到细针状马氏体, 把淬火加热温度严格控制在810～830°C范围内, 以获得隐晶状和细针状马氏体 (≤3级) , 这样磨削加工时可极大地降低出现磨削裂纹的可能性。

3.1.3 回火温度和时间的控制

淬火后工件通过低温回火可减少内应力、稳定组织, 显著减小产生磨削裂纹的敏感性, 在保证硬度要求前提下, 适当提高回火温度及采用二次回火工艺, 不仅可降低残余奥氏体级别, 还大大减小了残余内应力, 有利于减少磨削裂纹的出现。

3.1.4 淬火后冷却时间的控制

淬火后必须空冷至小于100°C (如能冷至室温更好) 才能进行回火, 以确保齿轮表面有较大的残余压应力, 避免出现磨削裂纹。

3.2 强化磨削工艺措施

(1) 严格控制粗滚齿公法线余量。

齿轮热处理后按基准找正时, 严格按照工艺要求的位置和允许的范围纠正热变形的的误差为最小状况。

(2) 应选用中软硬度的砂轮, 以便磨钝的砂粒及时脱落, 保持砂轮的自锐性。

在保证齿面精度的情况下, 一般选用较粗粒度的砂轮。同时应注意砂轮的平衡情况, 及时修整砂轮, 使砂轮工作时处于良好的平衡及锋利状态。

(3) 在保证齿面精度和工作效率基础上, 应选择合适的磨削量。

适当减少切削速度、减少进刀量, 可防止磨削裂纹的发生。

(4) 冷却液和冷却方式是磨削中的一个重要环节。

要控制冷却液温度, 必要时应当使用散热器或在恒温间工作。在磨削过程中要确保冷却液喷到磨削区, 使磨削区温度降低并得到充分冷却, 同时冲去粘在砂轮上的切屑。

4 结束语

齿轮磨削裂纹产生的原因多方面的, 应当从磨削工艺、热处理及零件材质等方面综合考虑, 并采取相应的防止措施来减少磨削裂纹的发生。

摘要：从磨削工艺、热处理两方面分析磨削裂纹产生的原因, 并提出了相应的防止措施。

凸轮轴的CBN高效磨削 篇4

凸轮轴作为发动机的关键零件之一, 其加工质量的好坏直接影响着发动机的动力特性, 凸轮轴主体是一根与气缸组长度相同的圆柱体, 上面有若干个轴颈和凸轮, K14B凸轮轴简图如图1所示。凸轮轴是一种非圆磨削的工件, 凸轮轮廓形状如图2所示。

凸轮轴加工余量大且材料难磨, 对磨削精度和生产效率要求都很高, 加工难度比较大。如何提高磨削效率和加工质量是凸轮轴磨削加工中的关键问题, 主要应考虑的影响因素有以下几个方面:

(1) 机床的特性。

(2) 凸轮轮廓磨削成形的方式。

(3) 砂轮性能和切削液。

(4) 磨削工艺, 包括修整工具及修整工艺。

传统的凸轮轴磨削技术与C B N磨削技术对比

1.传统的磨削技术

传统的凸轮轴磨削主要采用刚玉砂轮、靠模仿形的磨削工艺。使用的机床都是中低速磨床, 修整工具以单点金刚石笔居多。主要存在的问题是:

(1) 凸轮轮廓精度低采用靠模样板磨削, 凸轮轮廓形状误差最小只能控制在±0.03mm范围内。而实际上现在凸轮轮廓形状误差一般要求在±0.02mm以下, 甚至更严格。

(2) 凸轮表面易产生烧伤、裂纹等缺陷, 很难提高生产效率由于凸轮磨削余量大且材料难磨, 普通磨料砂轮的性能很难适应, 磨削质量和生产效率两者往往不能兼顾。K14B凸轮轴凸轮的磨削加工是由毛坯状态经过粗磨、精磨、微磨一次性磨削成形, 加工余量为3.1mm。

(3) 表面粗糙度低凸轮轴表面粗糙度值要求凸轮部一般在Rz=2.4μm以下, 普通磨削很难满足。

(4) 综合经济效益不高普通磨料砂轮的耐用度和使用寿命低, 需频繁修整或更换, 使修整工具损耗加快, 辅助时间和劳动强度增加, 既影响了生产效率, 又加大了生产成本。另外, 砂轮用量大, 其质量波动也影响了磨削工艺的稳定性, 又因大量磨削残物的产生, 增加了磨削液的过滤清理量, 对环境造成一定的污染。

2.先进的CBN磨削技术

CBN砂轮磨削技术的应用, 使传统凸轮轴磨削过程中的难题迎刃而解。现在专用C B N数控C N C凸轮轴磨床已被广泛使用, 高性能CBN砂轮也得到了广泛使用, C B N砂轮使用线速度高 (达到了80～160m/s) , 加工效率高, 工件由毛坯粗、精、微磨一次完成, 效率是普通砂轮的2～3倍, 采用专用磨削液和金刚石滚轮修整技术, 从而大大地提高了凸轮轴的加工质量和加工效率。我公司K14B凸轮轴加工采用T O Y O D A数控磨床, 由单片CBN砂轮完成各个凸轮的磨削加工。凸轮的磨削采用了随动磨削方式, 磨削方式如图3所示, C B N砂轮由直线电动机驱动, 通过执行CPU发出的升程数据指令而实施磨削。

一个凸轮的完整磨削经过了快速进给→空磨削→粗磨削→精磨削→微磨削→回火六个过程 (如图4所示) 。在整个磨削过程中主轴转速经过了四级变化, 分别由C20、C22、C23、C24四个参数控制。磨削过程中具有主动定寸测量功能, 在进入粗磨削时, 定寸装置便进入工件实时进行测量, 保证了加工质量。

凸轮轴加工中的CBN磨削技术要素

在凸轮轴的磨削系统中, 必须同时考虑到CBN砂轮制造和应用技术所涉及的各方面影响因素, 才会最终得到令人满意的磨削结果。凸轮轴CBN磨削技术的重要影响因素主要有:

1.CBN砂轮

性能优越的砂轮必须同时具备磨削锋利、寿命长等特征。在制造和选择砂轮时主要应考虑其砂轮的粘结剂、磨料、集中度和磨具硬度等因素。

(1) 结合剂CBN砂轮有四种结合剂, 树脂、陶瓷、金属、电镀, 四种结合剂砂轮的结构及特性图如表1所示, 其中以陶瓷结合剂的C B N砂轮发展最快, 应用最广。陶瓷CBN砂轮具有磨削效率高、形状保持性好、寿命长、易于修整、磨料利用率高 (为75%以上, 其余类型结合剂为50%～60%) 、砂轮使用寿命长等优势, 因而成为高效、高精度磨削的首选砂轮。目前, 用于凸轮轴磨削的CBN砂轮全部采用陶瓷结合剂。

(2) 磨料在磨削加工中, 磨料是砂轮中的主体, 其性能好坏直接影响磨削效果。C B N磨料与其他磨料相比, 具有很高的硬度和强度 (仅次于金刚石) , 因而切削锋利且耐磨, 在凸轮轴加工这种高强度的磨削情况下, 使用CBN磨料是最佳选择。金刚石虽然具有很高的硬度及热传导性, 但超过500℃时稳定性急剧下降, 而且会在工件表面形成残留应力, 所以不适合高速钢、铁系烧结金属、铸铁等的精密磨削加工。实际选择时应根据结合剂的种类、磨削工件和磨削方式的不同, 选择不同牌号的磨料。

(3) 集中度砂轮集中度的高低表示在磨削时砂轮工作面单位面积上参加磨削的磨粒数的多少, 高浓度可带来高的磨削比, 200%浓度比100%浓度砂轮寿命长4～5倍。目前, 高速、高效磨削均采用较高的砂轮浓度, 如进口磨凸轮轴磨床配套的CBN砂轮浓度一般均为200%。

(4) 硬度磨具的硬度等级表示结合剂对磨料把持力的大小, 它是制造商工艺控制的重要指标, 也是用户选择磨具性能的主要参数。砂轮硬度均匀和稳定及硬度高低的合理选择是保证磨削质量的重要前提。进口陶瓷CBN砂轮一般有3～7个硬度等级可供选择。

2.磨床

砂轮作为以磨床为中心的磨削体系中的一个附件, 只有通过磨床所具有的优异特性并优化各种磨削参数, 才能最大限度地发挥优势, 对CBN磨削来说尤其如此。

(1) 高速度提高砂轮的工作线速度可明显提高磨削效率和磨削比, 降低磨削力, 从而降低磨削成本。当砂轮速度由35m/s增加至60m/s时, 在不同的单位金属去除率情况下, 法向磨削力均减小1/3左右。CBN砂轮因其结构特点及CBN磨料的特性, 为高速、超高速磨削提供了可能。80～160m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用凸轮轴磨床基本特征之一。在条件允许的情况下, 使用尽可能高的速度是提高CBN磨削技术性和经济性的重要前提。

(2) 机床的高刚性和抗振性高速磨削和CBN砂轮磨削的特点, 要求机床主轴和整体要具有很高的刚性和良好的抗振性, 从而保证磨削工件的精度和表面质量, 这是CBN高速磨削技术中对磨床的基本要求。不具备这些条件, 在使用CBN砂轮时, 要想获得更高的金属去除量, 工件的几何精度和表面质量就会变差。振纹是常见的表面质量缺陷, 它是由振动产生的。像K14B凸轮轴对振纹的要求是凸轮顶尖±10°的范围内取样长度基准为0.8m m时在0.5μm W C M以下。引起振动的原因有多种, 包括机床刚性低、抗振性差、机床共振或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大等。

3.修整装置

使用金刚石滚轮修整, 不仅可提高修整效率, 更重要的是可获得较好的砂轮形貌。使用其他修整工具, 很难完成对高硬度砂轮表面的修整。修整装置的进给精度要高, 每次进给量应在毫米级, 过量的修整既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。修整速比v/V是修整工艺中一个重要的参数, 它的改变会使砂轮表面形貌显著变化, 并最终影响到工件的表面质量。修整条件 (进给速度、进给量、线速) 和磨削特性的关系图如图5所示。

4.磨削液

在磨削过程中, 90%以上的能量转化为热能, 这些热必须被磨削液最大限度地吸收, 否则工件就会被烧伤。对C B N砂轮来讲, 还要考虑C B N磨料与水在高温下所产生的化学反应对磨料的破坏。正确选择磨削液种类和冷却工艺参数, 往往会收到事半功倍的效果。磨削液的流量大小、喷射速度及冷却喷嘴位置都直接影响着砂轮的寿命及工件的加工质量。不同的磨削液, 会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。

凸轮轴加工中CBN砂轮磨削问题分析对策

(1) 表面粗糙度超差, 见表2分析。

(2) 磨削烧伤、裂纹、形状尺寸超差, 见表3分析。

结语

C B N砂轮磨削具有高效率、高精度、低成本等显著优点, 在凸轮轴加工中被广泛应用, 取得了良好的效果。目前的主要问题是国产C B N砂轮及高速数控凸轮磨床还不能满足产品加工质量的要求, 需要进一步发展。