采用 CBN 砂輪磨齒遇到磨齒燒傷問(wèn)題：
CBN 砂輪在磨削性能上高于普通鋼玉類(lèi)砂輪和 SG磨料砂輪，它磨削時(shí)幾乎沒(méi)有損耗(有極好的保形性)。CBN砂輪有著良好的切削刃角且不易磨損，因此對(duì)齒輪的壓應(yīng)力非常小，不易產(chǎn)生磨削裂紋及燒傷。同時(shí)，CBN 砂輪采用大進(jìn)刀量切削，切削效率是SG 砂輪的2~3倍，因此中間軸磨齒采用CBN磨齒工藝。雖然 CBN 磨齒優(yōu)勢(shì)明顯，但卻伴生有磨齒燒傷問(wèn)題，幾乎所有的 CBN 砂輪磨齒都會(huì)遇到這類(lèi)技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題。
從以上對(duì) CBN 砂輪應(yīng)用的分析可看出，高效的磨削帶來(lái)高磨削熱以及CBN 砂輪使用的技術(shù)復(fù)雜性，必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)解決好磨削發(fā)熱問(wèn)題。
從磨削原理來(lái)看，磨削熱是造成磨齒燒傷的根源，因此改善磨齒燒傷有兩個(gè)途徑：一是盡最大可能減少磨削熱的產(chǎn)生;二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。
1)合理選擇砂輪的粒度。粒度即磨料顆粒的大小，用每英寸篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)量表示。粒度提高時(shí)，表面粗糙度會(huì)提高，采用60粒的砂輪時(shí)，可以滿(mǎn)足大部分零件表面粗糙度的要求。當(dāng)粒度達(dá)到80粒或者更高時(shí)，砂輪的容屑能力和散熱性能會(huì)大大降低，進(jìn)而增加磨削燒傷和裂紋發(fā)生的概率。為確保齒面粗糙度和齒面支撐長(zhǎng)度率，中間軸磨齒砂輪采用100粒砂輪。
2)硬度表示磨料從砂輪表面脫落的難易程度，這取決于磨料與結(jié)合劑的粘結(jié)強(qiáng)度，與磨料本身的硬度是兩種不同的概念。硬度較高的砂輪，磨料不易脫落;硬度較低的砂輪，磨料相對(duì)容易脫落。由于砂輪具有自銳性，磨料在磨削過(guò)程中會(huì)從砂輪表面脫落，若硬度太高，則砂輪在磨鈍后磨料仍難以及時(shí)脫落，容易產(chǎn)生更多的磨削熱。因此，宜選擇較低的砂輪硬度，以便磨鈍后的砂粒能夠及時(shí)脫落。中間軸表面最低硬度為 HRC60, 經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，中間軸砂輪由J 級(jí)硬度改為G 級(jí)硬度，磨削燒傷改善非常明顯。
3)砂輪的結(jié)構(gòu)形式對(duì)磨齒燒傷影響也是巨大的。SU 成型磨齒機(jī)自設(shè)備驗(yàn)收之日起，燒傷問(wèn)題便時(shí)有發(fā)生。為此，在砂輪圓周方向上開(kāi)槽，使砂輪間斷磨削，工件受熱時(shí)間短，金相組織來(lái)不及轉(zhuǎn)變，通過(guò)強(qiáng)化散熱條件，進(jìn)行磨齒燒傷改善。剛開(kāi)始的時(shí)候，為了保證砂輪開(kāi)槽強(qiáng)度，開(kāi)槽的寬度為1mm, 隨著砂輪開(kāi)槽技術(shù)日臻完善，目前砂輪開(kāi)槽尺寸由1mm 優(yōu)化至 2mm, 在防止燒傷上起到了良好的效果，見(jiàn)圖11。
4)組織表示磨料、結(jié)合劑和氣孔三者之間的比例關(guān)系，磨料所占比例越大，組織越緊密，氣孔越少;反之，組織疏松，氣孔較多。組織緊密的砂輪能磨出粗糙度較好的工件表面，而組織疏松的砂輪，因空隙大，可以保證磨削過(guò)程中容納磨屑，避免砂輪堵塞，減少磨削熱。
合理的切削參數(shù)對(duì)磨齒燒傷的影響
背吃刀量的選用是關(guān)系到磨削燒傷和裂紋的關(guān)鍵因素。背吃刀量增大，零件磨削力增大，會(huì)產(chǎn)生更多的磨削熱，容易引起磨削燒傷。對(duì)于體積大、熱處理后變形較大的零件，在利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行磨削時(shí)，對(duì)刀后還要人為放大空程量。對(duì)于數(shù)控磨齒機(jī)，在磨齒過(guò)程中，還需要觀察功率顯示屏，防止熱處理齒面變形導(dǎo)致局部背吃刀量過(guò)大。對(duì)于磨齒機(jī)，切削速度取決于砂輪的轉(zhuǎn)速。對(duì)于同一片砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速增加，線(xiàn)速度相應(yīng)增加，磨削燒傷和磨削裂紋的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。在機(jī)床能力允許的前提下，選取砂輪線(xiàn)速度在30~ 35m/s 的范圍內(nèi)，即可滿(mǎn)足Ra0.8 的表面粗糙度要求。在磨削時(shí)，砂輪沿齒面的移動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)模數(shù)確定。通過(guò)減少磨齒余量可以有效降低磨齒燒傷風(fēng)險(xiǎn)。中間軸齒圈磨齒余量由 0.2mm 降至0 . 14mm, 粗磨徑向余量由 0 . 1 2mm 降至 0.08mm, 精磨徑向余量由0.08mm降至0.06mm, 對(duì)磨齒燒傷解決起到了至關(guān)重要的作用。砂輪軸向移動(dòng)速度一般選取 2500mm/min。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，粗磨正向軸向移動(dòng)速度為2800mm/min, 粗磨反向軸向移動(dòng)速度為2800mm/min, 精磨正向軸向移動(dòng)速度為2800mm/min, 精磨反向軸向移動(dòng)速度為2700mm/min。檢齒誤差的選擇也至關(guān)重要，因?yàn)闄z齒誤差過(guò)大，容易造成偏磨，局部熱量積聚，導(dǎo)致磨齒燒傷。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定檢齒示值誤差≤0.08mm。
磨齒油對(duì)磨齒燒傷的影響
冷卻液在磨削的過(guò)程中具有冷卻、清洗、潤(rùn)滑和防銹的作用。磨齒通常采用磨齒油，對(duì)磨齒油的要求如下：①具備良好的潤(rùn)滑和冷卻性能，減少切削熱的產(chǎn)生，從而使產(chǎn)品具有良好的工件表面質(zhì)量，滿(mǎn)足精度、粗糙度要求，獲得高進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)更高的加工效率，降低磨削力，節(jié)約能耗，提高砂輪壽命;②高閃點(diǎn)，低揮發(fā)，降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn);③優(yōu)異的抗油霧性能;④良好的空氣釋放性，減少泡沫，適合高速加工和高壓系統(tǒng);⑤良好的過(guò)濾性和沉屑性;⑥安全環(huán)保，不刺激皮膚。磨齒油一方面會(huì)帶走磨削熱量，另一方面可以起到潤(rùn)滑的作用，減少摩擦。在冷卻的過(guò)程中，如果冷卻的速度不夠，就會(huì)導(dǎo)致熱量無(wú)法快速釋放，進(jìn)而造成表面溫度過(guò)高，產(chǎn)生燒傷問(wèn)題，冷卻過(guò)快則會(huì)導(dǎo)致表面硬化問(wèn)題。因此要解決如下問(wèn)題：
1)磨削區(qū)的磨齒油供應(yīng)量不足或供液壓力不足。
2)磨齒油的噴射口噴射位置安裝不當(dāng)，應(yīng)調(diào)整使其直接噴射到磨削區(qū)域。
3)磨齒油溫度太高，導(dǎo)致冷卻性能急劇降低，應(yīng)配備合適的冷卻換熱系統(tǒng)。
4)磨齒油中產(chǎn)生大量泡沫，降低冷卻效果及冷卻均勻性，應(yīng)及時(shí)排除解決。
5)磨齒油太臟，未配備有效的過(guò)濾系統(tǒng)。
6)磨齒油的選擇不當(dāng)，油品的黏度、流動(dòng)性及冷卻性能不合適。
如果磨齒油的上述問(wèn)題不能很好解決，則磨齒燒傷的概率會(huì)大幅提高。
冷卻系統(tǒng)對(duì)磨齒燒傷的影響
在磨齒過(guò)程中，砂輪與工件接觸區(qū)的瞬時(shí)溫度可達(dá) 960℃以上，因此，冷卻油管的位置決定了發(fā)生磨齒燒傷的概率。通常情況下，冷卻液直接噴射到磨削區(qū)域，但磨削區(qū)域產(chǎn)生的瞬時(shí)熱量會(huì)使冷卻液霧化，在磨削區(qū)域形成貧油區(qū)，使冷卻液無(wú)法達(dá)到冷卻效果，加大了磨齒燒傷的概率。改進(jìn)后的冷卻液避免直接噴射在磨削區(qū)域，同時(shí)要考慮砂輪氣孔的阻塞，兩組冷卻油管的分工如下：一組直接噴射到砂輪上參與切削，以沖去粘在砂輪上的鐵屑，這一組的噴射方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反;另一組噴射在磨削區(qū)域，與砂輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，保證了冷卻液在離心力作用下到達(dá)磨削區(qū)域，達(dá)到冷卻效果，見(jiàn)圖12。也有其他方式，見(jiàn)圖13,需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證效果。試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)對(duì)磨齒燒傷有明顯改善。
在磨齒操作過(guò)程中，冷卻控制是十分關(guān)鍵的要素。冷卻一定要完全且充分，冷卻液也一定要流到區(qū)域內(nèi)。多數(shù)情況下，流量需要控制在40~60L/min, 這樣才可以實(shí)現(xiàn)完全的冷卻，壓力一般控制在0.8~1.2N/mm², 對(duì)表面切屑進(jìn)行較好的沖刷。在冷卻液足夠純凈的條件下進(jìn)行工作，從而清除冷卻液中的較臟的顆粒。冷卻液的承載容器體積一定要夠大，防止其中產(chǎn)生過(guò)多的氣泡。防止冷卻液溫度過(guò)快改變，一般控制冷卻系統(tǒng)的容積和工作間的室溫，對(duì)于溫度就可以進(jìn)行較好的控制，但是在一些特殊情況下，還是要使用散熱器進(jìn)行工作。
工裝夾具對(duì)磨齒燒傷的影響
工裝夾具及輔助工裝的剛度也是決定磨齒燒傷的關(guān)鍵因素(圖14)。在磨削過(guò)程中，砂輪的瞬間進(jìn)給使工件承擔(dān)很大的軸向力，砂輪的進(jìn)給使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)定的進(jìn)給量的均勻性無(wú)法保證，從而大幅增加磨齒燒傷的概率。
輔助工藝對(duì)磨齒燒傷的影響
磨齒前要對(duì)滲碳淬火齒輪進(jìn)行打磨或噴沙，以有效去除齒面的氧化皮，降低雜質(zhì)堵塞砂輪的概率，有效降低磨齒燒傷的概率，另外也可以提高冷卻液的潔凈度。
金剛滾輪等對(duì)磨齒燒傷的影響
在砂輪的平衡上要做到精益求精(砂輪動(dòng)平衡等級(jí) G0.4), 仔細(xì)操作和調(diào)控，因?yàn)樯拜喸诟咚傩D(zhuǎn)時(shí)，每一次微小的抖動(dòng)都會(huì)對(duì)齒面造成嚴(yán)重的燒傷。展成磨齒機(jī)和成型磨齒機(jī)都要保持金剛筆和金剛滾輪的鋒利(圖15),以修整出銳利的砂輪。若金剛筆有0.3mm以上的磨損，或金剛輪有0.02mm以上的磨損，則表明金剛石(筆)已經(jīng)鈍化，需要及時(shí)更換。金剛筆和金剛輪在粗加工時(shí)一定要移動(dòng)迅速，以保證砂輪的銳利性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，砂輪修形頻率為1次/8 件，修整量0.01mm, 修形移動(dòng)速度300mm/min。
滾齒對(duì)磨齒燒傷的影響
滾齒是磨齒粗加工，滾齒精度也會(huì)影響磨齒燒傷。以 1701048-TV101 中間軸為例，在滾齒加工中，需要嚴(yán)格控制滾齒公法線(xiàn) W5=60.22mm±0.015mm (磨齒公法線(xiàn) W5=60.075mm±0.015mm, 公差帶寬由0.05mm壓縮至0.03mm, 確保磨齒余量為0.145mm±0.03mm), 滾齒齒圈跳動(dòng)量≤0.041mm, 滾齒齒距累積 Fp≤0.051mm,齒形 Fa≤0.021mm, 齒向Fβ≤0.018mm 。主要目的是確保磨齒余量均勻，減少局部余量過(guò)大熱量積聚變化產(chǎn)生磨齒燒傷。滾齒過(guò)程中，滾刀的設(shè)計(jì)也是重要一環(huán)。磨前滾刀對(duì)齒形設(shè)計(jì)有如下要求：①齒面留磨余量均勻;②齒根處要有一定沉割，一般較磨齒余量大0.05～0.07mm, 保證磨齒后無(wú)臺(tái)階，砂輪與齒根具有一定的冷卻空間;③漸開(kāi)線(xiàn)足夠長(zhǎng)，一般來(lái)說(shuō)需要超越 Mn×0.05=4.35×0.05=0.22mm, 即 SPC值由10.7mm 下延至10.92mm。磨前滾刀設(shè)計(jì)見(jiàn)圖16。
對(duì)于磨齒后具有特殊修形的齒圈，例如中間軸B 齒圈，成品修形見(jiàn)圖17。
從圖17中可以看到，齒形齒頂修緣最大0.07mm, 相當(dāng)于在磨削齒頂時(shí)會(huì)多出0.07mm余量，這對(duì)磨齒是相當(dāng)不利的，將導(dǎo)致齒頂余量加大，磨削熱量增大，增大齒頂磨齒燒傷風(fēng)險(xiǎn)。為此，在滾刀設(shè)計(jì)時(shí)，讓滾刀自帶齒頂修緣，與成品修緣吻合，從而使齒頂和齒面磨削余量均衡、均勻，從設(shè)計(jì)源頭根除磨削燒傷隱患。
熱處理對(duì)磨齒燒傷的影響
熱處理變形對(duì)熱后加工影響巨大。如果軸的初始變形量大，則很難保證齒圈精度，例如公法線(xiàn)、齒形、齒向、齒圈徑向跳動(dòng)量，這樣在磨齒加工中就會(huì)出現(xiàn)偏磨，導(dǎo)致局部磨削熱積聚，很容易造成磨削燒傷。在材料淬透性未改善前，熱處理不同條件下初始變形量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖18,其中，B 齒圈初始變形量高達(dá)0.269mm, 對(duì)校直工序來(lái)說(shuō)難度頗大，大部分零件只能通過(guò)手工校直來(lái)滿(mǎn)足，校直后齒圈跳動(dòng)量只能保證在0.1mm 以?xún)?nèi)。但是也有因初始變形量大，采用熱校的，不僅浪費(fèi)成本，還給磨齒留下了很大隱患。由于齒圈跳動(dòng)量超差，檢齒誤差過(guò)小無(wú)法通過(guò)，只能放大檢齒誤差，結(jié)果就是出現(xiàn)偏磨，很容易產(chǎn)生磨齒燒傷。2021年1月以來(lái)，熱處理工藝進(jìn)行了材料淬透性改善，材料淬透性由H3 優(yōu)化至 H2。第六輪(最后一輪)滲碳淬火工藝，預(yù)氧化溫度由 450~500℃變更為500~550℃。變更工藝后，初始變形量由變更前的0.1~0.12mm, 變?yōu)?.07～0.1mm, 一次校直合格率目前穩(wěn)定在大于或等于98%的水平。改善后，校直齒圈跳動(dòng)量 Fr≤0.05mm, 確保了檢齒誤差由0. 12mm 優(yōu)化至 0.08mm。整個(gè)磨削比較均勻，有效避免了偏磨的出現(xiàn)，對(duì)避免磨齒燒傷起到了重要作用，見(jiàn)圖19。
此外，滲層碳濃度過(guò)高，在滲層組織中容易形成網(wǎng)狀碳化物或過(guò)多的游離碳化物。由于這種物質(zhì)極硬，在磨削過(guò)程中可能出現(xiàn)局部過(guò)熱傾向和表面回火。另外，還會(huì)使輪齒表面產(chǎn)生過(guò)多的殘余奧氏體。磨削時(shí)，殘余奧氏體因砂輪磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量和壓力而轉(zhuǎn)變，同時(shí)可能伴生表面回火和磨削裂紋。
改善主要對(duì)策
改善主要對(duì)策見(jiàn)表。
三、改善驗(yàn)證及檢測(cè)
磨齒燒傷成因復(fù)雜，每一項(xiàng)措施都進(jìn)行了燒傷檢測(cè)特管及驗(yàn)證。通過(guò)酸洗法進(jìn)行磨齒燒傷檢測(cè)，加上磨齒燒傷的標(biāo)準(zhǔn)樣件圖譜，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)培訓(xùn)，以連續(xù)3個(gè)月按每個(gè)修整周期 (每8件1次修整)進(jìn)行1件磨齒燒傷檢測(cè)，均未出現(xiàn)磨齒燒傷作為磨齒燒傷效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。此外，針對(duì)未磨齒燒傷的中間軸通過(guò)變速器臺(tái)架疲勞壽命驗(yàn)證，滿(mǎn)足使用壽命作為衡量改善的標(biāo)準(zhǔn)。為此，組織50輛分中間軸100%進(jìn)行燒傷檢測(cè)的零件(無(wú)燒傷),定點(diǎn)投放在中間軸打齒排名第一的區(qū)域進(jìn)一步驗(yàn)證，得到了客戶(hù)的認(rèn)可。經(jīng)過(guò)多輪生產(chǎn)、臺(tái)架和路試，必須滿(mǎn)足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，否則視為改善無(wú)效或不徹底。
四、改進(jìn)成果
14檔中間軸打齒為長(zhǎng)里程故障，2019年4月才開(kāi)始在市場(chǎng)上出現(xiàn)。2019年5月首先在23廠(chǎng)增加了磨削燒傷酸洗法抽檢，然后進(jìn)行了冷卻噴嘴優(yōu)化和更換，檢齒誤差由 0.12mm 加嚴(yán)至0.08mm, 齒圈跳動(dòng)量Fr≥0.08mm 的增加一次粗磨循環(huán)，2019年燒傷情況基本可控。但由于檢測(cè)環(huán)節(jié)缺失，改進(jìn)效果只能以市場(chǎng)數(shù)據(jù)檢查，加上量的急劇增加，2020年3mis 和6mis抬頭，3mis 接近0 .05%,6mis 接近 0.2%,12mis 接近0.8%。2020年年底，分別實(shí)施了材料淬透性?xún)?yōu)化、校直工藝優(yōu)化、磨齒余量減少、磨齒參數(shù)優(yōu)化、砂輪優(yōu)化、冷卻液優(yōu)化等工作，3mis降至 0 , 6mis 降至 0.02%。由圖20可見(jiàn)，故障率在2021年降低了80%,市場(chǎng)賠償也從單月70萬(wàn)的峰值逐步降低，證明了改善措施有效。后續(xù)通過(guò)在防止流出上增加磁彈儀，在冷卻上實(shí)施3D 打印可移動(dòng)噴嘴，持續(xù)細(xì)化影響磨齒燒傷的可能因素，一定會(huì)從制造源頭上徹底避免中間軸磨齒燒傷問(wèn)題。
五、結(jié)論
通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的各種磨削燒傷的情況進(jìn)行總結(jié)，歸納出磨削燒傷的種類(lèi)以及可能產(chǎn)生的危害，并分析了磨削燒傷的檢測(cè)方法。同時(shí)，從合理選用砂輪、合理設(shè)置切削用量、確保冷卻條件等方面，對(duì)磨削燒傷的防止措施進(jìn)行了較為全面的分析。本文的總結(jié)與分析為進(jìn)一步減少磨削燒傷問(wèn)題，改善磨削質(zhì)量提供了較為全面的參考。齒輪的磨齒燒傷是客觀存在的，通過(guò)對(duì)磨齒燒傷因素的探討，找到部分影響磨齒燒傷的因素，在生產(chǎn)過(guò)程中不斷改進(jìn)和完善，可有效改善磨齒燒傷狀況。本文所做試驗(yàn)還比較有限，尚不能完全總結(jié)出所有磨齒砂輪的性能及與之匹配的磨齒參數(shù)，還需開(kāi)展更多試驗(yàn)工作。
參考文獻(xiàn)略.