裝載機4100柴油機生產(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42CrMoA鋼曲軸齒輪在中頻感應(yīng)淬火后數(shù)小時內(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、輪齒淬火前進行240℃x4h去應(yīng)力退火，在輪齒淬火加熱時對已經(jīng)淬火的主軸頸進行補充冷卻，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。熒光探傷時可見裂紋剛直，長約1～4mm，環(huán)形放射狀分布。在12—24h后裂紋明顯增多，嚴重困擾生產(chǎn)。為此，進行了深入分析研究，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)一機加工軸頸并粗磨一軸頸中頻感應(yīng)淬火一機加工軸頸并精磨一滾剃齒一齒輪中頻感應(yīng)淬火一機加工一動平衡。
(3)曲軸主軸頸與齒輪相對位置如圖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
(1)裂紋發(fā)生在齒根，呈徑向放射狀，形態(tài)剛直，長度≤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，會出現(xiàn)放射狀裂紋。
2.3簡要分析
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，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)力超過其抗拉強度時即產(chǎn)生裂紋。應(yīng)力釋放較緩慢時，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型中頻半自動淬火機床，中頻電源為8000Hz變頻發(fā)電機，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，對經(jīng)淬火的曲軸軸頸磨削加工后、輪齒淬火前進行去應(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)輪齒淬火時對主軸頸側(cè)進行噴淋淬火介質(zhì)冷卻，以減小對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，由于條件限制，噴淋淬火介質(zhì)保護的穩(wěn)定性差，人為影響因素多，產(chǎn)品質(zhì)量難以穩(wěn)定，所以噴液保護措施只能作為臨時性措施。
(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)實踐證明這種設(shè)計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)濟性。
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