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中频淬火凸轮轴磨削裂纹产生原因及对策
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:650
中频淬火凸轮轴磨削裂纹产生原因及对策
要:对球墨铸铁中频淬火凸轮轴磨削裂纹产生的原因进行了分析。认为磨削工艺不当,产生了过高的磨削热,使凸轮浅表层组织回火过度,硬度大幅下降,从而产生极大的拉应力是磨削裂纹产生的主要原因。采取对策后取得了较满意的效果。
关键词凸轮轴;磨削热;回火过度;残余应力;磨削裂纹
1前言
我厂s195qt60023(稀土2)75%<5%4550hrc1.54.5mm36级。凸轮轴磨削后磁粉探伤时发现有磨削裂纹,废品率有时高达20%,为此我们对磨削开裂的凸轮轴进行了金相、表层显微硬度梯度、残余应力等试验,揭示了磨削裂纹产生的原因,采取了相应的对策,并取得了较满意的效果。
2磨削裂纹的宏观形态
凸轮磨削表面呈微黄色,有少量烧伤焦斑,裂纹宏观形态见图1。裂纹多数呈条状,单条或多条平行于磨削方向,周向分布在凸轮基圆及两侧表面,裂纹长度540mm长短不一,间断或连续,严重时贯穿整个凸轮表面,少数呈放射状和龟裂状。
1
3试验内容及方法
3.1金相分析
2所示切开,去除线切割的热影响层,制成1号样,进行裂纹金相分析,其淬硬层组织见图3452所示制成2号样,进行淬硬层表面金相组织级别评定,其淬硬层表面金相组织见图6

 

2

 

31(淬硬层深3.7mm)×10041500

 

5110062(级别4)×500
3.2磨削开裂凸轮表面层显微硬度梯度试验
1号金相试样表层进行显微硬度梯度试验,硬度点的位置避开石墨在基体上进行,结果见表1
3.3凸轮表层残余应力试验
我厂凸轮轴磨削工艺是采取砂轮纵向进给一次完成的,先大进给量粗磨,后转入小进给量精磨,最后转入无进给量的光磨。为了揭示磨削前后及磨削过程中的粗、精、光磨阶段凸轮表层残余应力的变化规律及与磨削裂纹的关系,取33号轴不经磨削,4号、5号凸轮轴在生产现场同一台磨床上,由同一操作者按现场工艺磨削,4号轴粗磨一半余量时快速退出砂轮,5号轴经粗精光磨磨削终止。
3支残余应力试验的凸轮轴其编号及状态见表2。对上述3支凸轮轴,在同一凸轮的基圆同一位置,进行电解腐蚀剥离,在msf22mx()3
4结果分析
(1)6所示2石墨,不过热,属正常淬火组织。经380℃×3h(见图3),从显微组织上无法分辨出磨削烧伤引起的表面回火层。裂纹深度为0170mm,开口较宽,头部尖细,由表面垂直向心部扩展(见图5)。图4晶界微量点状二次渗碳体,可见正火温度偏高,过高的温度正火,不仅晶界析出二次渗碳体,而且由于奥氏体含碳量高,正火后珠光体碳含量也高,感应快速加热时珠光体快速奥氏体化,其碳含量势必保留了原珠光体的高含碳量,淬火后得到高碳马氏体,这种组织产生磨削裂纹的敏感性较大,晶界二次渗碳体还可能成为磨削裂纹的扩展通道。
(2)(1)0.20mm范围内硬度有明显下降,表面硬度比原硬化层硬度下降约20%。说明磨削时凸轮表面严重发热,对凸轮浅表层有深度回火作用。这是因为磨削时产生大量的磨削热,少部分被冷却液带走,大部分瞬间集中在工件浅表层,以极快的速度将浅表层加热到一定温度,并形成浅表层极大的温度梯度,当温度超过工件原回火温度,引起浅表层组织更深度的回火,使硬度下降,浅表层的硬度梯度即反映了磨削热深入浅表层形成的温度梯度。表10103mm处宏观洛氏硬度已从磨削前的4914hrc下降到4112hrc,大大低于4550hrc的技术要求。应该指出的是浅表层的硬度降低在宏观硬度检查中往往不易发现,这是因为深度回火层较浅,仅012013mm23hrc,这类凸轮轴极易漏检,投入使用,必然出现早期磨损。
(3)330.80mm-92-80mpa,均为压应力,应力梯度平缓,曲线几乎平行于水平坐标轴,可以推断在整个淬硬层深3.7mm范围,残余压应力将逐渐过度到零,符合表面感应淬火淬硬层的应力分布。
(4)34 771mpa,向心部不断降低,距表面0.8mm处拉应力接近零,这是因为粗磨时磨削进给量大,磨削热也大,引起浅表层组织深度回火,使该层组织进一步转变,金属比容减小,体积收缩,产生拉应力。与此同时,被磨削热加热的浅表层,在冷却液的作用下,快速冷却,也使该层组织收缩,产生拉应力,前者为组织应力,后者为热应力,两者叠加,使浅表层产生极大的拉应力,当拉应力超过材料的脆断强度时,则形成磨削裂纹。
(5)350.08mm处全部受压应力,表面压应力最大,为-544mpa。距表面0.18mm 376mpa。从表面至0.08mm范围出现压应力是因为进入小火花、无火花的精光磨阶段,砂轮对凸轮表面的挤压作用所引起的,我们可把5号轴看作经粗磨的4号轴再经精光磨,既54号曲线的浅表层叠加一个挤压力形成压应力的结果。
(6)磨削裂纹是在粗磨阶段形成的。在整个磨削过程中,随着进给量等因素的变化,凸轮浅表层的应力在不断变化。磨削开始时当砂轮一接触到凸轮表面,磨削热便产生并开始传入浅表层,此时温度不高,尚不能引起深度回火,浅表层的应力也较小(尚有砂轮对凸轮表面机械作用造成的应力),随着粗磨阶段砂轮的不断进给,磨削热在浅表层不断积累,温度不断升高,直至粗磨阶段终止时,浅表层温度达到最高值,这时磨削热的深度回火作用最大,浅表层拉应力达到最高值。转入精光磨阶段后,由于进给量明显减小,磨削热及浅表层温度也大为降低(254),由于砂轮挤压形成压应力和粗磨时形成的拉应力的叠加作用,使最表层的拉应力值降低或叠加成压应力。由此可见,整个磨削过程中,凸轮表面(或浅表层)的应力在粗磨阶段随着磨削进行,拉应力不断上升,到粗磨结束时拉应力达到最大值。进入精光磨后,在砂轮的挤压作用下,表面和浅表层应力不断降低直至转变为压应力,因此磨削裂纹是在粗磨阶段,当拉应力超过材料的脆断强度的某一时刻形成的,而不是精光磨阶段,也不在磨削终止以后。
(7)由于粗磨中凸轮表面温度最高,表面拉应力最大,因而磨削裂纹是由表面生成,直至一定深度时拉应力明显降低,扩展即行停止。图5磨削裂纹形貌表面开口较宽、头部尖细,充分展示了这一特点,是典型的磨削裂纹。
5对策及效果
(1)调整磨削工艺参数,重点减小粗磨进给量,同时疏通冷却液管道,增大冷却强度,调整喷液位置,增强冷却效果,严格执行砂轮修正周期,严格前道工序尺寸控制,防止磨削余量失控,从而降低磨削热的不良影响。工艺参数的调整以凸轮浅表层磨削后不深度回火、硬度不降低为原则。
(2)降低正火温度,降低奥氏体碳含量,防止二次渗碳体析出,以降低材料的磨削裂纹敏感性。
(3)适当提高中频淬火后的回火温度,将硬度控制在技术要求的中下限,提高材料抗深度回火的能力。
实施上述对策后,磨削开裂明显下降,取得满意效果。
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