曲轴磨削开裂分析-赵俊平.doc

曲轴磨削开裂分析 东风汽车公司工艺研究所 赵俊平 开裂现象 DCI11发动机曲轴在生产中发现，具体表现为：淬火之后100%探伤，没有发现裂纹但是在粗磨之后再探伤，发现约有50%的曲轴在轴肩部位有裂纹磨削开裂的原因是磨削产生的拉应力超过材料的断裂强度，内应力的产生则是由磨削热而来。 磨削的过程必然要产生大量的磨削热，磨削热的一部分可以被冷却液和磨屑带走，另一部分则很快传入工件的浅表层，迅速将其加热到一定温度。这一温度可以从几十度到几百度，甚至达到材料的熔化温度，使工件表层发生磨削变质，即常说的磨削烧伤，所以将这一冷加工工序产生的裂纹划属再热过程开裂的范畴。经淬火低温回火的钢件，磨削后的浅表层受磨削热的影响，发生回火(如图2、图3)，有时温度高于相变温度，出现二次淬火现象，此时次表层被回火。回火导致硬度下降，同时比容降低，比容降低导致体积收缩，又受内层金属的限制而产生拉应力。另外，受磨削热而膨胀的浅表层在随后的冷却中受内层金属的限制也会产生一定的拉应力。这两方面的原因就是磨削拉应力的来源。 在通常的磨削条件下，磨削变质是产生磨削裂纹的主要原因。 2.2 磨削裂纹的形态 磨削拉应力有垂直于磨削方向和平行于磨削方向两个方向。通常后者比前者大，所以我们常见到垂直于磨削方向的相互平行的裂纹，如图1的裂纹。当两个方向的磨削拉应力都大于材料断裂强度时出现两个方向的裂纹，即常见的龟裂。平行于磨削方向的裂纹比较少见，但在成型磨的情况下也可偶尔见到。 磨削裂纹通常都比较浅，是典型的表面裂纹，其深度常小于0.5mm。但并非较深的裂纹就不是磨削裂纹，因为磨削裂纹也与其它表面裂纹一样会发生扩展，形成外宽内窄的裂纹，如图3所示，有时可以超过1mm或更深，裂纹扩展的深度和拉应力的大小有关。 2.3 磨削工艺的影响 影响磨削裂纹产生的磨削工艺很多，砂轮性能、旋转线速度、磨削方式、磨削切深、冷却方式等都会对磨削裂纹产生影响。凡是能够减小磨削热、降低磨削拉应力峰值的磨削工艺参数都可减少开裂。在所有磨削参数中，磨削切深和砂轮性能对磨削热的影响最大，磨削切深增加磨削拉应力峰值显著增加。另外，成型磨的拉应力峰值要高于展成磨，且其值按粗磨－半精磨－精磨一次递减。 影响磨削裂纹产生的磨削工艺主要有以下几方面： 1）砂轮修磨频率 提高修磨频率可以提高砂轮的锋利度，减少磨削热，进而减小磨削开裂。该曲轴磨削采用CBN成型砂轮，该砂轮的性能比较稳定，不需要经常修磨。 2）磨削切深 对展成磨而言，切削深控制在≤0.02mm可以有效降低磨削应力的峰值。对于成型磨，切削深则应控制在≤0.005mm最好。曲轴所用材料含碳量较低，可以将上述参数扩大一倍使用，该曲轴连杆颈磨削工艺采用的切深为轴颈0.01mm，圆角部位0.04mm，止推面台阶0.06mm，显得比较大，这也可以从理论上解释止推面开裂而轴颈和圆角不开裂。 3）磨削方式 成型磨比展成磨的开裂倾向大。 4）砂轮旋转线速度 一定的冷却条件下，过高的线速度会导致磨削热增加，冷却液不易进入磨削区域，容易出现磨削开裂。但提高线速度与提高主轴转速结合可以降低磨削切深，对降低磨削应力的峰值有好处。所以要根据实际情况选取合适的线速度。 5）冷却方式 提高冷却能力的冷却方式对降低磨削开裂有利，如使用高冷却烈度的冷却液、提高喷射压力、提高喷射的有效性等等。CBN磨削采用油冷，冷却能力较水基磨削液低。 2.4 热处理工序的影响 只有淬火件才有被磨裂的危险，特别是淬火低温回火的零件磨裂倾向更大，回火越不充分，磨裂倾向越大。对非淬硬的工件磨削并无磨裂的危险。所以，控制淬火和对工件进行充分的回火可显著降低磨裂敏感性。充分回火降低磨裂敏感性的机理可以从以下几个方面分析： 淬火工件在马氏体转变后形成显微裂纹，充分回火可以更好的焊合这些显微裂纹，降低材料的开裂倾向； 回火过程消除了淬火零件的残余内应力； 充分回火后工件淬硬层的组织体积更趋于稳定，有利于吸收磨削变质过程中的体积变化，减小磨削拉应力； 微观应力和磨削拉应力一样是造成磨削开裂的应力因素，充分回火可以降低淬火件的微观应力，降低磨裂敏感性。 为此，从热处理角度考虑，可以采取一些措施为磨削工序提供更高抗磨裂能力工件。 淬火工序 调整淬火工序参数的目的是降低淬火后工件的内应力，减小显微裂纹的数量和长度。 降低淬火加热温度； 调整感应器参数，使加热尽量均匀； 用降低加热功率、增加加热时间的办法减小残余应力； 减小淬火喷液压力、减小喷液时间、让喷液结束后的工件表面留有足够的余温、提高淬火介质的浓度等措施都可以降低残余应力水平。 适当降低淬火硬度。 回火工序 增加回火时间。 提高回火温度。 增加回火次数。 总之，能够减小淬火开裂的一切措施对于降低磨削开裂敏感性都有作用。虽然提高回火温度对减少磨裂有力，但