裝載機(jī)4100柴油機(jī)生產(chǎn)廠家
曲軸齒輪感應(yīng)淬火后齒根開裂原因分析
某大型柴油機(jī)42CrMoA鋼曲軸齒輪在中頻感應(yīng)淬火后數(shù)小時(shí)內(nèi)齒根出現(xiàn)裂紋。分析表明，齒根延遲開裂是由于先淬火的主軸頸受到后來輪齒淬火加熱時(shí)的熱影響而使齒根產(chǎn)生過大拉應(yīng)力所致。采取軸頸淬火和磨削后、輪齒淬火前進(jìn)行240℃x4h去應(yīng)力退火，在輪齒淬火加熱時(shí)對(duì)已經(jīng)淬火的主軸頸進(jìn)行補(bǔ)充冷卻，以及主軸頸與輪齒側(cè)面連接的圓角處不予淬火等措施后，齒根開裂問題得到了解決。
某曲軸齒輪經(jīng)過中頻淬火和自回火后約6h，發(fā)現(xiàn)齒根部位有徑向裂紋。熒光探傷時(shí)可見裂紋剛直，長(zhǎng)約1～4mm，環(huán)形放射狀分布。在12—24h后裂紋明顯增多，嚴(yán)重困擾生產(chǎn)。為此，進(jìn)行了深入分析研究，較好地解決了這一問題。
1概況
(1)曲軸材料為42CrMoA鋼。
(2)工藝流程：鍛造一調(diào)質(zhì)一機(jī)加工軸頸并粗磨一軸頸中頻感應(yīng)淬火一機(jī)加工軸頸并精磨一滾剃齒一齒輪中頻感應(yīng)淬火一機(jī)加工一動(dòng)平衡。
(3)曲軸主軸頸與齒輪相對(duì)位置如圖1所示，可以看出齒輪與主軸頸連接緊密。這種結(jié)構(gòu)和上述工藝流程都是導(dǎo)致齒根開裂的潛在因素。
(4)主軸頸淬硬層和齒輪淬硬層技術(shù)要求主軸頸和窄齒輪表面硬度均為(53±3)HRC，寬齒輪表面硬度(55±3)HRC，淬硬層深度要求如圖2所示。第1、5主軸頸靠齒輪側(cè)圓角淬火是導(dǎo)致齒輪淬火后齒根開裂的主要因素。
2齒根裂紋形態(tài)及分析
2.1裂紋的位置和形態(tài)從圖lA向觀察，裂紋形狀如圖3所示，裂紋發(fā)生在弧面相交的尖角處。
2.2裂紋特點(diǎn)
(1)裂紋發(fā)生在齒根，呈徑向放射狀，形態(tài)剛直，長(zhǎng)度≤4iTlm。
(2)裂紋具有明顯的延遲性，多數(shù)在齒輪淬火后6～12h發(fā)生，再過若干小時(shí)后裂紋明顯增多。
(3)淬火后探傷正常，但是24h后沿過渡尖角單邊車加工掉2mill，會(huì)出現(xiàn)放射狀裂紋。
2.3簡(jiǎn)要分析
裂紋形成主要發(fā)生在先期淬過火的第1、5主軸頸靠齒輪側(cè)圓角處。齒輪淬火時(shí)，已淬火的軸頸部位受到熱影響，內(nèi)應(yīng)力再釋放導(dǎo)致齒根表面受到拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生裂紋。應(yīng)力釋放較緩慢時(shí)，表現(xiàn)為延遲性裂紋。可見第1、5主軸頸靠齒輪側(cè)圓角淬火層受到齒輪淬火時(shí)的熱影響，該部位應(yīng)力急劇釋放是齒根裂紋形成的主要原因。
3軸頸和輪齒的淬火工藝
3.1軸頸淬火設(shè)備及工藝參數(shù)
原西德生產(chǎn)的KWH型中頻半自動(dòng)淬火機(jī)床，中頻電源為8000Hz變頻發(fā)電機(jī)，功率300kW。中頻淬火工藝參數(shù)見表1。
3.2輪齒淬火設(shè)備及工藝數(shù)據(jù)
設(shè)備為GCQC01型數(shù)控淬火機(jī)床，中頻電源為可控硅靜止電源，功率200kW。中頻淬火工藝數(shù)據(jù)見表
4解決齒根延遲開裂的方法
(1)根據(jù)以上分析，解決這種淬火裂紋的有效辦法主要是減小應(yīng)力和防止應(yīng)力再分配。為此，對(duì)經(jīng)淬火的曲軸軸頸磨削加工后、輪齒淬火前進(jìn)行去應(yīng)力退火，并確保不降低軸頸硬度，去應(yīng)力退火工藝為240oC×4h空冷，防止輪齒淬火時(shí)該區(qū)域應(yīng)力因受熱而激烈釋放，導(dǎo)致齒根開裂。
(2)輪齒淬火時(shí)對(duì)主軸頸側(cè)進(jìn)行噴淋淬火介質(zhì)冷卻，以減小對(duì)軸頸圓角處的熱影響，遏制應(yīng)力再分配。采取這一措施生產(chǎn)3根曲軸，經(jīng)過7h后探傷，發(fā)現(xiàn)一根軸齒根部出現(xiàn)裂紋，未能*解決問題。同時(shí)，由于條件限制，噴淋淬火介質(zhì)保護(hù)的穩(wěn)定性差，人為影響因素多，產(chǎn)品質(zhì)量難以穩(wěn)定，所以噴液保護(hù)措施只能作為臨時(shí)性措施。
(3)齒輪淬火后除自回火外，再增加回火工序，相當(dāng)于兩次回火。回火工藝：(160～180)℃X120rain，空冷。增加回火的目的主要是使殘余應(yīng)力盡快釋放，避免應(yīng)力緩慢釋放造成后期齒輪根部在使用中形成裂紋，消除隱患。
(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決裂紋問題和提高工藝穩(wěn)定性的根本途徑。這里所說的設(shè)計(jì)除了產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)外，還包含熱處理淬硬層要求。零件的不合理形狀或結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致其淬裂的原因。具體的改進(jìn)是，第1、5主軸頸與輪齒側(cè)面連接的圓角不淬火，淬火熱影響區(qū)如圖4所示。結(jié)果，輪齒淬火時(shí)齒根部位應(yīng)力穩(wěn)定，可以明顯抑制齒根延遲開裂。生產(chǎn)實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)既滿足曲軸服役要求，又利于生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
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