基于因果分析法的齒輪磨削燒傷原因分析

柴 希

(太原重工股份有限公司 齒輪傳動分公司,山西 太原 030024)

0 引言

為滿足高速重載、高精傳動的要求，當前齒輪大多采用滲碳淬火的硬齒面熱處理技術，因此磨齒成為齒輪精加工必不可少的環節。但在實際生產過程中，齒輪表面出現磨削燒傷的現象時有發生，齒輪一旦出現磨削燒傷將大大降低其使用性能和壽命，甚至造成整臺設備無法正常工作。為解決缺陷嚴重造成零件報廢、磨齒作為最終精加工工序生產周期長、出現批量缺陷影響交貨期、客戶滿意度降低的問題，本文根據實際生產情況，結合磨削燒傷檢測方法對造成齒輪磨削燒傷的原因進行了具體分析。

1 問題描述

太原重工股份有限公司齒輪傳動分公司最近生產的一批齒輪磨齒后出現兩種情況：①齒面出現肉眼可見的長條形磨削燒傷現象(如圖1所示)，次日燒傷部位開裂，數量為兩件；②采用無損燒傷檢測法(磁彈法)檢測時，突然出現數值超過許用標準值的現象，對超過許用標準值的齒輪依據GB17879[1]《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》及ISO14104[2]《Gears-Surface temper etch inspection after grinding,chemical method》進行檢測并對照，表面整體發灰，從顏色上判斷屬于正常現象(如圖2所示)，未出現深淺不一的灰黑色燒傷，需做進一步研究。

圖1 肉眼可見燒傷 圖2 酸蝕檢測

2 因果分析

磨削燒傷是由于在磨齒過程中砂輪與齒面磨削接觸產生大量的磨削熱造成齒面組織發生變化的現象，因此在分析磨削燒傷的成因時重點關注磨削熱的產生和磨削熱的傳遞兩個方向。根據經典工業工程理論，從人、機、料、法、環、測六個方面采用頭腦風暴法繪制齒面磨削燒傷因果分析圖，如圖3所示。

圖3 齒面磨削燒傷因果分析圖

3 磨削燒傷要因分析

根據因果分析圖對造成齒面磨削燒傷的21種可能原因進行列表，采用無記名打分的形式(結合個人實際經驗，認為其是引起磨削燒傷主要原因的，在其原因后打對勾)確定要因，由QC小組11人進行打分，經過整理匯總出影響磨削燒傷主要原因的排列圖，如圖4所示。

根據圖4，采用排除法對各項原因逐項進行分析：

(1) 機床冷卻介質。對機床冷卻介質取樣委托第三方進行檢測，樣本1為產生燒傷機床的取樣，樣本2為未產生燒傷機床的取樣。檢測結果見表1。

圖4 磨削燒傷主要原因排列圖

兩個樣本與原油標準相比產生了一定的變化，但通過兩個樣本對比分析，兩者無明顯差異，基本可排除冷卻介質的影響。

(2) 冷卻位置及角度。通過現場檢查，冷卻噴嘴位置及角度在出現磨削燒傷前后未發生變化，基本可排除冷卻位置及角度的影響。

(3) 組織均勻性。對磁彈法檢測存在燒傷而酸蝕法檢測燒傷不明顯的齒輪進行取樣分析，并從同一齒輪上的不同位置進行取樣，取樣位置如圖5所示，產生磨削燒傷的齒樣S見圖6，未參與磨削的滲碳淬火原始齒樣H見圖7。

表1 潤滑介質取樣檢測結果

得到的齒樣S表層顯微組織馬氏體與殘余奧氏體見圖8，齒樣H表層顯微組織馬氏體與殘余奧氏體見圖9。

圖5 同一齒輪不同位置取樣 圖6 齒樣S 圖7 齒樣H

通過對齒樣S和齒樣H進行微觀組織檢測發現：①齒樣S及齒樣H熱處理組織均勻，符合熱處理工藝要求，基本可排除組織均勻性和合理性造成磨削燒傷的影響；②齒樣S表層組織未出現磨削回火燒傷及二次淬火燒傷的組織，說明齒面不存在磨削燒傷，磁彈法檢測可能出現誤判或存在其他原因。

圖8 齒樣S馬氏體與殘余奧氏體 圖9 齒樣H馬氏體與殘余奧氏體

(4) 齒輪表面氧化皮。經現場檢查未磨削的齒輪，發現個別齒輪齒面存在氧化物等異物，如圖10所示。根據QC小組分析，結合先前對齒輪磨削燒傷的研究并咨詢相關專家，齒面氧化物在磨削過程中極易堵塞砂輪氣孔，使得磨削熱量傳遞受阻，造成齒面磨削燒傷，齒面氧化物及表面異物極有可能是造成齒面磨削燒傷的主要原因，需做進一步分析。

(5) 磨削深度。工藝中對磨削深度的要求是:粗磨≤0.035 mm、半精磨≤0.015 mm、精磨≤0.005 mm。實際操作時的磨削深度是：粗磨0.03 mm、半精磨0.015 mm、精磨0.005 mm。磨削深度符合工藝要求且比較保守，基本可排除磨削深度對磨削燒傷的影響。

(6) 磨削余量分配。齒輪磨削前按20個齒進行磨削余量分配，磨削余量分配數據如圖11所示。符合工藝要求，基本可排除余量分配對齒面磨削燒傷的影響。

圖10 齒輪表面氧化皮

圖11 磨削余量分配

(7) 冷卻液壓力及流量。經檢測冷卻液壓力及流量符合機床要求，基本可排除冷卻液壓力及流量對磨削燒傷的影響。

(8) 砂輪的修整策略。砂輪的修整策略關系到砂輪磨粒的鋒利程度，用于去除磨鈍的磨粒，產生新的磨粒，同時可將堵塞的砂輪氣孔去除，有利于減少磨削熱的產生和改善磨削熱的傳遞，結合第(4) 項齒面氧化物分析，粗磨時可適當增加砂輪修整次數，特別是對齒面存在氧化物或氧化物去除不徹底的齒輪，可能是造成齒輪磨削燒傷的原因，需做進一步分析研究。

(9) 砂輪的粒度和硬度。在出現磨削燒傷前后未發生變化，且使用同一供應商提供的產品，基本可排除砂輪的粒度和硬度對磨削燒傷的影響。

(10) 零件硬度。對磁彈法檢測存在燒傷而酸蝕法檢測燒傷不明顯的磨削后的齒輪齒部進行取樣采用顯微硬度進行檢測，檢測數值為HRC53.2、HRC53.6、HRC53.7，硬度偏低，不滿足要求。為查明原因，對同一齒輪未磨削見亮的齒部進行取樣采用同種檢測方法進行檢測，檢測值為HRC57.9、HRC58.1、HRC57.1，同樣偏低。零件表面硬度不足可能是由于熱處理過程造成。

酸蝕法是將試樣浸入到一定配比的酸溶液中，由于不同顯微組織對酸蝕的敏感性不同，從而呈現不同的顏色[3]。磁彈法是檢測不同磨削燒傷等級齒輪的特征值與其表層顯微硬度、殘余應力存在接近性線的一一對應關系[4]。由以上描述可知：酸蝕法主要是通過顯微組織對酸蝕的敏感性來檢測，而磁彈法是通過其表層顯微硬度、殘余應力等多種因素共同作用的結果。這樣解釋了磁彈法檢測異常而酸蝕檢測未發現明顯燒傷的現象，同時說明測量方法的正確性和儀器檢測的準確性沒有問題。

由于工藝過程未發生變化，磨削流程、沖程速度、砂輪線速度、未執行操作規程、誤操作等其余原因也基本排除了對磨削燒傷的影響。

綜上所述，齒面肉眼可見的長條形磨削燒傷現象是由于齒部存在氧化物和異物，同時粗磨時砂輪的修整策略未進行調整造成的。磁彈法檢測存在燒傷而酸蝕法檢測燒傷不明顯的齒輪不屬于磨削燒傷，是由于齒面硬度低造成缺陷報警。磁彈法不僅對齒面磨削可以做出定量判斷，同時也可以反映齒部硬度和齒部應力的分布情況。

4 對應的措施

根據以上要因分析，特制定了對應的措施：

(1) 齒輪滲碳淬火后，齒面、齒根強力噴丸，去除表面氧化物，噴丸強度弧高值為0.4 mm～0.5 mm，表面覆蓋率為200%，具體參考TB/T2758—1996[5]，磨齒前重點檢查，齒面以銀灰白色為宜，存在其他顏色和異物時，必須使用砂輪片打磨清理干凈才能進行磨齒。必要時，調整粗磨時砂輪的修整策略。

(2) 磨齒過程嚴格按磨齒工藝規則執行，改進工藝流程如齒輪裝夾找正、余量分配、磨削參數、磨削策略設置時，由技術、檢驗人員現場見證，進行效果測量驗證并形成文件。

(3) 進行齒部熱處理硬度不足的原因分析，本文不再進行詳細描述。另外，對同批次熱處理的齒輪復檢其同爐齒形試樣，硬度滿足要求方可進行磨齒操作。

通過采取上述措施，對6個齒輪磨齒后采用無損燒傷檢測儀進行檢測，齒部磨削結果完全符合要求，未再出現任何磨削燒傷現象，效果比較滿意。

5 結論

以QC小組為依托，應用因果分析圖及頭腦風暴法從人、機、料、法、環、測六個方面分析了造成磨削燒傷的所有可能原因和要因，采用排除法對造成本次磨削燒傷的原因依據排列圖逐項分析，得出以下結論：

(1) 磁彈法檢測磨削燒傷存在異常時，應采用酸蝕法復測，若仍不能得出結論，需繼續采用金相法和顯微硬度法進行檢測，必須確定是否屬于燒傷和屬于何種燒傷，以便于對磨削燒傷的原因進行有針對性的分析。

(2) 齒部硬度是影響磁彈法檢測的一個重要因素。

(3) 齒部氧化物和異物是造成磨削燒傷的主要原因，齒輪滲碳淬火后必須進行強力噴丸操作，將表面氧化物清除干凈，磨削前必須做重點檢查，不滿足要求不得進行磨削操作，必要時還需調整粗磨時砂輪修整策略。