標題圖片來自：萊斯豪爾
為滿足高速重載、高精傳動要求，當前齒輪大多采用滲碳淬火硬齒面熱處理技術，因此磨齒是齒輪精加工必不可少的環節。磨齒不僅能修正齒輪預加工產生的各項誤差，還能顯著提高變速器的傳動精度。但在實際生產過程中，齒輪表面的磨削燒傷現象時有發生，齒輪一旦出現磨削燒傷現象，將大大降低使用性能和壽命，甚至造成打齒，導致變速器無法正常工作。VT 中間軸因零件結構限制采用成型磨齒機加工，加工中存在磨齒燒傷，造成資金索賠，成為排名第一的變速器市場質量問題。為此，本文就 VT中間軸磨齒燒傷的原因、影響因素和防止措施進行了分析和探討，旨在消除磨齒燒傷，減少浪費，提高變速器品牌效應和客戶滿意度。
一、磨削原理
磨料通過結合劑黏合在砂輪上，使砂輪表面每平方厘米有600~1400顆磨粒。磨粒在砂輪上排列的間距和高低都是隨機的。磨粒是多面體，其每個棱角可看作一個切削刃，頂尖角為90°~120°,尖端是半徑為幾微米至幾十微米的經精細修整的磨具。磨粒表面會形成一些微小的切削刃，可以看作砂輪表面分布著無數刀齒的多刃刀具。
磨削加工過程
在磨削工件時，接觸工件的是多個刃尖，比較凸出且鋒利的磨粒可以獲得較大的切削厚度，形成切屑;不太凸出或較鈍的磨粒切削厚度過小，會在工件表面刻劃出痕跡，工件材料被擠向磨粒兩旁而隆起;高度很小的磨粒既不切削也不刻劃，只是與工件表面產生滑擦作用。即使是凸出程度和鋒利程度相同的磨粒，其磨削過程也可看作滑擦、刻劃、切削的連續作用。因此，磨削加工的切削過程可分3個階段(圖1)。
① 滑擦階段：磨粒開始擠入工件，滑擦而過，工件表面產生彈性變形而無切屑。
② 耕犁階段：磨粒擠入深度加大，工件產生塑性變形，耕犁成溝槽，磨粒兩側和前端堆高隆起。
③ 切削階段：切入深度繼續增大，溫度達到或超過工件材料的臨界溫度，部分工件材料明顯地沿剪切面滑移，形成磨屑。
根據條件不同，磨粒的切削過程的3個階段可以全部存在，也可以部分存在。見圖2,在磨削過程中，磨粒受到工件材料變形的阻力F1 以及磨粒與工件表面間的摩擦力F2, 形成磨削力。磨削過程所消耗的能量幾乎全部轉變為磨削熱。磨削力和磨削熱都影響磨削精度。
在磨削過程中，參加磨削的磨粒逐漸變得圓鈍，磨削能力不斷下降。這些磨鈍的磨粒承受的磨削力F會隨之增大。當F 超過磨粒本身強度極限時，磨粒破碎，破碎后的磨粒會形成若干新的鋒銳棱角繼續參與磨削。立方氮化硼 (CBN) 磨粒的硬度很高，要充分發揮CBN 磨粒的優越性，對CBN砂輪的結合劑把持力和強度要求就要高些。當磨粒磨損到一定程度后，需要把砂輪工作面上的結合劑挖掉一部分，即對砂輪修整開刃，為磨削時提供足夠的容屑空間。
磨削燒傷
磨削表面質量包括磨削表面粗糙度和磨削表面層的物理機械性能兩方面。因為磨削加工時磨粒對工件的作用包括滑擦、刻劃和切削，并且大多數磨粒是負前角和小后角，所以在整個磨削過程中會產生大量的磨削熱，使磨削區的瞬時溫度達到1000℃左右。在磨削熱量、磨削力二者的綜合作用下，零件表層因溫度不同而出現二次熱處理的金相組織變化，從而使表面層的硬度和強度下降，產生殘余應力，甚至引起顯微裂紋，嚴重影響零件的使用性能，這就是磨削燒傷的成因。磨淬火鋼時，在工件表面層形成的瞬時，高溫會使表面金屬產生以下三種金相組織變化(圖3):①如果工件表面層溫度未超過相變溫度Ac3(一般中碳鋼為720℃),但超過馬氏體的轉變溫度(一般中碳鋼為300℃),這時馬氏體將轉變為硬度較低的回火屈氏體或索氏體，這稱為回火燒傷;②當工件表面層溫度超過相變溫度Ac3時，如果有充分的切削液，則表面層會急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，導致表面層總的硬度降低，這稱為淬火燒傷;③當工件表面層溫度超過相變溫度Ac3時，馬氏體轉變為奧氏體，如果無切削液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，這稱為退火燒傷，干磨時很容易產生這種現象。
不論哪一種磨削燒傷，磨削過程中工件表面溫度的急劇上升，以及之后開始的冷卻直至最后冷卻，都會引起零件表層的熱脹冷縮，造成自工件表面至內部的各層產生各異的殘余應力。如果表面的殘余應力呈現為拉應力態勢，且幅值較大，則會產生質量隱患。如果磨削燒傷發生在交變載荷工作環境中對表面質量有很高要求的旋轉類零件(例如變速器中的齒輪軸、齒輪等)上，一方面會因工作表面硬度的下降直接影響零件使用性能，另一方面，由于磨削后零件表層存在較大的殘余(拉)應力，在交變載荷作用下易產生疲勞裂紋，隨著裂紋的不斷擴展，最終會導致零件失效。
磨齒燒傷的判定
磨齒燒傷的傳統檢測方法有3種，可做定性或定量評價，具體見表1。
1)觀色法即觀察磨削后零件表的“回火色”。隨著磨削接觸區溫度升高，磨削表面會形成氧化膜。由于膜層厚度不同，反射光的涉狀態也不同，因此會呈現出各種顏色，如黃色、草黃色、褐色、紫色等，即“回火色”。值得注意的是，表層沒有“回火色”并不意味著表層沒有燒傷。觀色法是最為直觀簡單的檢測方法，不需要采用專用設備，但是檢測過程受到人為主觀因素的影響較大，因此不適合用于檢測要求嚴格的場合。
2)酸洗檢查法是目前生產上普遍使用的方法，原理是鋼材中不同的金相組織對酸蝕有不同的敏感性。回火馬氏體酸蝕后呈現灰色，若發生嚴重的回火燒傷，回火馬氏體轉變為回火索氏體，酸蝕后呈現黑色;若發生二次淬燒傷，金相組織為淬火馬氏體，酸蝕后呈現白色。
3)表層顯微硬度判別法根據回火燒傷后表層硬度下降的原理，以磨削表面的顯微硬度分布曲線作為是否發生磨削燒傷的判別依據。回火燒傷的特點是表層硬度下降，因此可以簡化燒傷的檢測方法，采用測量表層顯微硬度的方法，以測出的表層顯微硬度相比集體硬度下降的程度來判別回火燒傷的程度。表層顯微硬度判別法反應比較靈敏，而且數值可靠，應用較為廣泛。
磨齒燒傷的無損檢測方法為磁彈法，可綜合判斷金相 (硬度)和應力的狀況。定量化的檢測數據，能為企業提供新的質量管理視角，進而延伸到工藝流程，為改進工藝流程提供可靠的依據，符合目前大數據管理的趨勢。
磁彈法通過巴克豪森原理，將電磁信號數值化地表現出來，從而間接地判斷工件是否發生了磨削燒傷，具有操作簡單、方便、高效等優點，而且對工件表面不會造成任何破壞，因此在齒輪產品表面磨削燒傷的檢測中具有較大的優越性和廣闊的應用前景。該方法被沃爾沃 (VOLVO) 、重慶綦江齒輪、重慶齒輪箱有限責任公司等企業在生產實踐中應用。
磨削燒傷的種類
齒輪零件磨削加工的過程中，接觸區域的瞬時高溫 (可達1000℃)使得零件表面的金相組織產生局部變化。根據磨削燒傷表面組織結構的不同，可以將磨削燒傷分成兩類。
回火燒傷：當磨削接觸區表面層溫度顯著超過馬氏體轉變溫度，且低于相變臨界溫度Ac時，零件表面馬氏體產生回火，轉變成硬度較低的索氏體和屈氏體，這種燒傷稱為“回火燒傷”, 見圖4a。此時該表面的硬度一般為 HRC51~HRC57。
次淬火燒傷：淬火鋼的馬氏體組織在750~850℃的磨削高溫下轉變成奧氏體。如果冷卻速度較低，則會重新變為馬氏體。零件表層硬度比原淬火硬度稍有提高， 一般在 HRC63 左右。但此變質層性能穩定性較差，脆性較高，二次淬火燒傷區域周圍通常伴有一圈嚴重的回火層，見圖4b。
磨削燒傷和磨削裂紋
磨削燒傷的變質層內存在較大的殘余應力，當殘余應力超過材料的極限強度時，容易出現裂紋。磨削燒傷不一定伴隨磨削裂紋出現，但是磨削裂紋通常都伴隨磨削燒傷產生。磨削裂紋的方向一般與砂輪的軸向進給方向垂直，見圖5a。
齒面存在裂紋后，潤滑油會侵入裂紋。當齒輪嚙合時，齒面的壓力使得裂紋內的油壓升高，對裂紋存在擠脹的作用，導致齒面剝落，甚至出現輪齒斷裂的現象，見圖5b。
磨削燒傷的危害
磨削燒傷除了容易引發磨削裂紋外，還主要存在以下危害;
a) 較輕的磨削燒傷情況下，零件在使一定時間后，表層硬度會下降，軟化層明顯加深，使用壽命與無磨削燒傷的零件相比會縮短3~5年。
b) 嚴重的磨削燒傷情況下，以 VT中間軸齒面為例，由于表面硬度降低，齒輪承受接觸應力的能力顯著下降，導致齒成出現點蝕、剝落、失效等質量事故，使得齒輪失去正常的工作能力，見圖6、圖7。
c) 由于齒面剝落，與之嚙合的齒輪容易產生齒面凹坑等失效形式。
二、影響磨齒燒傷的因素
磨削燒傷和磨削裂紋均因磨削熱過高引起，因此預防燒傷和裂紋應該從降低磨削熱的角度著手。影響磨削熱的因素主要有砂輪狀況、切削用量、冷卻條件、零件材料以及熱處理硬度等。其中，機加工方面主要涉及的是砂輪狀況、切削用量和冷卻條件。因此，零件的磨削燒傷應該主要從這三方面來預防。
機床磨削方法對磨齒燒傷的影響
目前使用的磨齒設備主要分為兩大類：展成磨齒機和成型磨齒機。由于兩者磨削原理不同，磨削方法也就不同，從而決定了磨齒燒傷的傾向性不同。切向進給，又稱等距離進給，是展成磨齒機的主要進給方式。徑向進給，是成型磨齒機的主要進給方式，見圖8。展成磨齒機的磨削原理為齒輪與齒條嚙合原理。假想砂輪為一齒條，讓被加工齒輪在假想齒條上做往復跑合，跑合過程包括一個直線和一個圓周兩個動作的綜合，動作的不同速率通過掛輪或計算機控制，從而合成一條漸開線。磨削時最常用的方法是加工同一齒槽的一個齒面后再加工另一個齒面。由于是線接觸，磨削瞬間產生極高的溫度，又因為砂輪與齒面接觸面積較小，在齒面上形成的壓強較大，對表層拉應力也較大，這種加工方法最容易產生裂紋。但它在磨削時沖程較大，一般粗磨為90m/min。各嚙合線之間有間隔時間差，又有利于散熱。因此“展成磨”不易產生表層回火這種過熱燒傷，見圖9。
VT中間軸為多聯齒，受零件結構限制，齒圈A 和齒圈 B 只能采用成型磨齒機，它的進給方向垂直于加工工件，即徑向進給，見圖10。成型砂輪的形狀等于最終齒型形狀，但齒槽在未加工前形狀較窄(因為有留磨量)。根據齒輪的原理，當砂輪遠離齒圈時，砂輪會與齒輪上壓力角較小的位置先接觸，并非砂輪和齒輪設計的壓力角重合，因此在前期磨削過程中，齒輪分度圓以上的部分并未參加切削。而分度圓下端，特別是滾刀過度弧上端位置，刀量去除較大。隨著徑向的進給，齒輪下端量值減少而上端量值增大，這樣在相同的徑向進給量的前提下，就形成了不同的金屬去除量。成型磨多為雙面磨削，即砂輪對一個齒槽的左右齒面同時進行切削，沖程進給緩慢。一般粗磨為2500～3000mm/min, 進給量較大，而且對同一齒槽連續磨削多次，這樣就形成了砂輪與齒面接觸痕跡為兩個面。由于是連續磨削，極不利于散熱和冷卻液的進入，成型磨齒機容易引起齒面的表層回火及二次淬火燒傷。但是由于它的磨削為兩面平衡受力，且接觸面積較大，對齒面的拉壓應力較小，不易產生裂紋。以上分析表明，成型磨齒機的磨削原理決定了磨削燒傷的傾向性很大。
砂輪選擇對磨齒燒傷的影響
CBN 是硬度僅次于金剛石的超硬切削材料之一，是在約50kbar的高壓和1700℃的高溫下形成的材料。它于1957 年由美國GE 公司首次合成，隨后得到了廣泛的應用。
CBN 砂輪磨削特性：1)CBN 硬度僅次于金剛石，而遠高于其他普通磨料，高硬度意味著切削能力更強，其機械強度是碳化硅磨料的2 倍多，韌性比金剛石高，可以磨削各種高強度、高硬度的鋼材和鑄鐵。其砂輪耐用度與磨削效率是其他普通磨料砂輪所不能及的。
2) CBN砂輪的導熱性和熱穩定性極高，在1200℃下仍可保持硬度不變。
3) CBN砂輪的化學惰性高，穩定性好，特別是與鐵、碳沒有明顯的化學親和力，這決定了它在磨削鐵族金屬時的價值。
4) CBN砂輪具有高耐磨性，這意味著它比普通磨料更難磨損，保持磨粒形狀的能力是 CBN 作為高性能磨料的主要特性之一。
CBN 砂輪選擇：在制造和選擇 CBN 砂輪時主要考慮以下四個因素的影響。
(1)結合劑
CBN 磨具常用的結合劑有樹脂、金屬、陶瓷和電鍍，其中，陶瓷結合劑的 CBN 磨具發展最快。在世界范圍內，陶瓷 CBN 磨具的占比已達到50%以上。這緣于陶瓷 CBN 磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長。
(2)磨料
磨削時，磨料是磨具中的主體，它的性能直接影響著磨削的效果。不同牌號的 CBN 磨料，因制造工藝的不同，晶體形態、顆粒形狀也不同，具有不同的強度、熱穩定性、耐化學侵蝕性和破碎特性。應根據工藝和使用要求選擇不同牌號的磨料。需要指出的是，CBN 磨料在高溫下易與水和堿性氧化物發生化學反應，導致結構破壞，這是在選擇磨削液時必須考慮的因素。
(3)濃度
根據規定，磨料在磨具中濃度為100%時，每立方厘米含 4.4 ct(0.88g) 的磨料，此值相當于體積的 25% 。濃度代號規定見表2。
砂輪濃度的高低代表了在磨削時砂輪工作面積上參與磨削的磨粒的多少。高濃度可帶來高的磨削比。提高濃度還可以降低工件表面的粗糙度，但同時會增加磨削力并產生更高的磨削熱。
(4)硬度
磨具的硬度等級表示結合劑對磨料把持力的大小，它是制造商工藝控制的重要指標，也是用戶選擇磨具的主要性能參數。目前國內還未制定硬度檢驗標準。
CBN 砂輪使用時應考慮的問題：
(1)CBN 砂輪需要采用高砂輪速度
提高砂輪工作線速度，可以明顯提高磨削效率和磨削比，減小砂輪上承受的磨削力，減小磨損。目前，成型磨齒機CBN 砂輪線速度為30~35m/s 。在條件允許的情況下，盡可能使用高速度是提高 CBN 磨削技術性和經濟性的重要手段。
(2)磨床需要有高剛性和良好的抗振性
高速磨削和 CBN 砂輪磨削的特點，要求機床主軸和整體具有高剛性和良好的抗振性，從而保證磨削工件的精度和表面質量，這是CBN高速磨削技術對磨床的基本要求。不具備這樣的條件，在使用CBN 砂輪時，要想獲得更高的金屬去除量，工件的幾何精度和表面質量就會變差。波紋是常見的表面質量缺陷，由振動造成。引起振動的原因是機床剛性低、抗振性差或砂輪參數設計不合理導致磨削力過大，這會直接影響砂輪的磨損程度，使磨削比降低，磨削加工成本大幅度提高。更為嚴重的是機床的弱剛性會產生嚴重的粘屑，使砂輪不能繼續磨削，需要修整砂輪后才能正常磨削。修整頻次的增加會加劇砂輪的損耗，使加工成本大幅增加，同時使磨削表面產生振紋和燒傷，表面粗糙度變壞。
(3)CBN 砂輪的修整
使用金剛滾輪修整，不僅可提高修整效率，還可獲得較好的砂輪形貌。使用其他修整工具，很難完成對高硬度砂輪表面的修整。修整裝置的進度精度要高，每次進給量應能達到微米級。
(4)CBN 砂輪需要專用磨削液
磨削中，90%以上的能量轉化為熱能，這些熱能必須被冷卻液最大限度地吸收并帶走，否則工件就會燒傷。對 CBN 砂輪來講，還要考慮 CBN磨料與水在高溫下所產生的化學反應對磨料的破壞。正確選擇冷卻液種類和冷卻工藝參數，往往會收到事半功倍的效果。使用不同的冷卻液，會使砂輪的磨削比相差幾倍甚至十幾倍。
參考文獻略.