齿轮类零件作为机构中的重要零部件，在渗碳淬火后往往要进行磨削加工。在磨削加工工艺中，砂轮与零件的接触区会因摩擦产生大量热量，而大部分热量会通过传导进入零件浅表层，容易导致表层金相组织的变化。若磨削参数设置和砂轮选择不当，在加工的过程中，会引起表层金相组织改变，并出现较大的残余应力，形成“磨削烧伤”。
零件磨削烧伤会使零件表层的耐磨性、耐腐蚀性和接触疲劳强度降低，使用寿命大大降低，严重的情况下会出现裂纹，从而引发质量问题。
本文通过研究淬火类齿轮的磨削烧伤现象，总结和分析了磨削烧伤的种类和危害，提出了针对不同种类烧伤的不同检测方法，并在此基础上探讨了磨削烧伤的预防措施。
一、磨削烧伤的种类及危害
磨削烧伤的种类
齿轮零件磨削加工的过程中，接触区域的瞬时高温(可达1000℃)使得零件表面的金相组织产生局部变化。根据磨削烧伤表面组织结构的不同，可以将磨削烧伤分成两类。
回火烧伤：当磨削接触区表面层温度显著超过马氏体转变温度，而低于相变临界温度Ac1的时候，零件表面马氏体产生回火，转变成硬度较低的索氏体和屈氏体，这种烧伤称为“回火烧伤”，如图1(a)所示。此时该表面的硬度一般为HRC51~57。
二次淬火烧伤：淬火钢的马氏体组织在750℃~800℃以上的磨削高温下转变成奥氏体。如果冷却速度较低，则会重新变为马氏体，零件表层比原淬火硬度稍有提高，一般在 HRC63 左右。但此变质层性能稳定性较差，脆性较高，二次淬火烧伤区域周围通常伴有一圈严重的回火层，如图1(b)所示。
图1磨削烧伤
磨削烧伤和磨削裂纹
磨削烧伤的变质层内存在较大的残余应力，当残余应力超过材料的极限强度时，容易导致裂纹的出现。磨削烧伤不一定伴随磨削裂纹出现，但是磨削裂纹通常都伴随磨削烧伤产生。磨削裂纹的方向一般与砂轮的轴向进给方向垂直，如图2(a)所示。
齿面存在裂纹后，润滑油会侵入裂纹。当齿轮啮合时，齿面的压力使得裂纹内的油压升高，对裂纹存在挤胀的作用，导致齿面剥落甚至出现轮齿断裂的现象，如图2(b)所示。
图2磨削烧伤和磨削裂纹
磨削烧伤的危害
磨削烧伤除了容易引发磨削裂纹，其本身的危害还主要包含以下几个方面：
a. 较轻的磨削烧伤情况下，零件在使用一定时间后，表层硬度发生下降，软化层明显加深，使用寿命与无磨削烧伤的零件相比会缩短3～5年。
b. 严重的磨削烧伤情况下，以齿轮齿面为例，由于表面硬度降低，齿轮承受接触应力的能力显著下降，导致齿面出现点蚀、剥落、失效等质量事故，使得齿轮失去正常的工作能力，如图3(a)和(b)所示。
圏 3 齿面剥落情况
c. 由于齿面剥落，与之相啮合的轮齿容易产生齿面凹坑等失效形式。图 4为行星轮磨削烧伤引起齿面剥落后造成的齿圈齿面的凹坑破坏。
图4 行星轮磨削烧伤齿面剥落后造成齿圈齿面凹坑
二、磨削烧伤的检测方法
齿轮零件表面磨削烧伤后，使用性能和寿命将大大降低，甚至完全失去工作能力。因此，为了能够及时发现不合格的零件，需要对零件表面的磨削烧伤进行检测。根据磨削烧伤后表层组织的颜色、硬度以及酸腐敏感性的不同，可以采用观色法、表层显微硬度判别法和酸洗法进行检测。
观色法
观色法即观察磨削后零件表面的“回火色”。随着磨削接触区温度升高，磨削表面会形成氧化膜。由于膜层厚度不同，反射光的干涉状态也不同，因此可以呈现出各种各样的颜色，如黄色、草黄色、褐色、紫色等，即“回火色”。值得注意的是，表面没有“回火色”并不意味着表层没有烧伤。观色法是最为直观简单的检测方法，不需要采用专门的设备，但是检测过程受到人为主观因素的影响较大，因此不适合用于检测要求严格的场合。
酸洗检查法
酸洗检查的原理：酸洗检查法是目前生产上普遍使用的方法，原理是利用钢材不同的金相组织对酸蚀有不同的敏感性。回火马氏体酸蚀后呈现灰色，如发生严重的回火烧伤，回火马氏体转变为回火索氏体，酸蚀后呈现黑色;如发生二次淬火烧伤，金相组织为淬火马氏体，酸蚀后呈现白色。
酸洗检查的步骤：第一步：零件清洗，要求零件所有表面不允许有油污，零件清洗后经过清水漂洗，零件表面若形成一层完整的水膜，可认为已经清洗干净。若零件没有清洗干净，零件表面有水珠，酸洗后零件表面会出现花斑，干扰磨削烧伤的判断。
第二步：酸洗，先用浸入硝酸中，时间为30s，拿出后浸入清水漂洗60s，然后浸入盐酸中，时间为60s，拿出后浸入清水漂洗60s，再浸入氢氧化钠溶液中浸泡60s，拿出后用清水漂洗60s，最后上油防锈。
第三步：判断，根据酸洗后，仔细观察齿面各种颜色，全灰色表示没有磨削烧伤，黑色表示有磨削烧伤，并按FA、FB等级区分。
酸洗检查法简单易行，在目前生产中应用较为普遍。但是该方法会对被检测零件的表面产生破坏，检测后零件便无法正常使用，因此一般用于批量零件的抽样检验。
表层显微硬度判别法
表层显微硬度判别是法根据回火烧伤后表层硬度下降的原理，利用磨削表面的显微硬度分布曲线作为是否发生磨削烧伤的判别依据。因回火烧伤的特点是表层硬度下降，因此可以简化烧伤的检测方法，采用测量表层显微硬度的方法，以测出的表层显微硬度比集体硬度下降的程度来判别回火烧伤的程度。表层显微硬度判别法反应比较灵敏，而且数值可靠，应用较为广泛。
三、磨削烧伤的预防
磨削烧伤和磨削裂纹均因磨削热过高引起，所以预防止烧伤和裂纹应该从降低磨削热的角度着手。影响磨削热的因素主要有砂轮状况、切削用量、冷却条件、零件材料以及热处理硬度等，其中机加工方面主要涉及到的是砂轮状况、切削用量和冷却条件。因此，零件的磨削烧伤应该主要从这三方面来预防。
合理选用砂轮
砂轮的选择主要是砂轮参数的选择，而砂轮参数主要包括磨料、粒度、硬度和组织四个方面。
磨料：
磨料即砂轮的砂粒，是构成砂轮的主要成分。笔者对于磨削渗碳淬火类零件，笔者一般采用单晶刚玉和铬刚玉作为磨料的砂轮，代号SA和PA。相对于白刚玉磨料WA，单晶刚玉和铬刚玉磨料更适合磨削淬火过后高硬度、高强度的齿面。
粒度：
粒度即磨料颗粒的大小，用每英寸筛网商都上的筛孔数量表示。粒度提高时，表面粗糙度将会提高，当采用60粒的砂轮时，可以满足大部分零件表面粗糙度要求。当粒度达到80粒或者更高时，砂轮的容屑能力和散热性能会大大降低，将会增加磨削烧伤和裂纹发生的可能性。
硬度：
硬度表示磨料从砂轮表面脱落的难易程度，这取决于磨料与粘合剂的粘结强度，与磨料本身的硬度是两种不同的概念。硬度较高的砂轮，磨料不易脱落;硬度低的砂轮，磨料相对容易脱落。由于砂轮具有自锐性，磨料在磨削过程中会从砂轮表面脱落，若硬度太高，则砂轮在磨钝后磨料仍难以及时脱落，容易产生更多的磨削热。因此，宜选择较软的砂轮硬度，以便磨钝后的砂粒能够及时脱落。砂轮硬度由超软到超硬，代号从D 到Y级。目前笔者选用较多的是J级。
组织：
组织表示磨料、粘合剂和气孔三者之间的比例关系，磨料所占比例越大，则组织越紧密，气孔越少;反之，组织疏松，气孔较多。组织紧密的砂轮能磨出粗糙度较好的工件表面，而组织疏松的砂轮，因空隙大，可以保证磨削过程中容纳磨屑，避免砂轮堵塞，减少磨削热的大量产生。笔者选用较多的是微气孔，组织为06的砂轮。
经过七年来的不断实践和应用，笔者采用较多的砂轮是某品牌微气孔单晶刚玉砂轮，砂轮代号SA60J0645m/s, 同时使用SG磨料砂轮加工高精度齿轮。
合理设置切削用量
背吃刀量的选用是关系到磨削烧伤和裂纹的关键因素，背吃刀量增大，零件磨削力增大，会产生更多的磨削热，容易引起磨削烧伤。对于体积大，热处理后变形较大的零件，在利用数控机床进行磨削时，对刀后还要人为放大空程量。对于数控磨齿机，在磨齿的过程中，还需要观察功率显示屏，防止因热处理齿面变形导致局部背吃刀量过大。
对于磨齿机，切削速度主要是砂轮的转速。对于同一片砂轮，砂轮转速增加，线速度相应增加，磨削烧伤和磨削裂纹的风险也会增加。在机床能力允许的前提下，选取砂轮线速度在30~35m/s 的范围内，即可满足Ra0.8 的表面粗糙度要求。在磨削时，砂轮沿齿面的移动速度应根据模数确定。
确保冷却条件
冷却液在磨削的过程中具有冷却、清洗、润滑和防锈的作用，在磨削的过程中需要保证冷却液的流量，同时定期查看冷却液滤纸上的铁屑情况。
根据砂轮的齿轮和零件的参数，调整冷却液的冲洗位置，尽可能减少肉眼可见的磨削火花，使得冷却效果达到最佳。
四、结语
通过对长期生产实践中出现的各种磨削烧伤的情况进行了总结，归纳出磨削烧伤的种类以及可能产生的危害性，并分析了磨削烧伤的检测方法。同时，从合理选用砂轮、合理设置切削用量、确保冷却条件3个方面对磨削烧伤的防止措施进行了较为全面的分析。本文的总结与分析为进一步减少磨削烧伤问题，改善磨削质量提供了较为全面的参考。