标题图片来自：莱斯豪尔
为满足高速重载、高精传动要求，当前齿轮大多采用渗碳淬火硬齿面热处理技术，因此磨齿是齿轮精加工必不可少的环节。磨齿不仅能修正齿轮预加工产生的各项误差，还能显著提高变速器的传动精度。但在实际生产过程中，齿轮表面的磨削烧伤现象时有发生，齿轮一旦出现磨削烧伤现象，将大大降低使用性能和寿命，甚至造成打齿，导致变速器无法正常工作。VT 中间轴因零件结构限制采用成型磨齿机加工，加工中存在磨齿烧伤，造成资金索赔，成为排名第一的变速器市场质量问题。为此，本文就 VT中间轴磨齿烧伤的原因、影响因素和防止措施进行了分析和探讨，旨在消除磨齿烧伤，减少浪费，提高变速器品牌效应和客户满意度。
一、磨削原理
磨料通过结合剂黏合在砂轮上，使砂轮表面每平方厘米有600~1400颗磨粒。磨粒在砂轮上排列的间距和高低都是随机的。磨粒是多面体，其每个棱角可看作一个切削刃，顶尖角为90°~120°,尖端是半径为几微米至几十微米的经精细修整的磨具。磨粒表面会形成一些微小的切削刃，可以看作砂轮表面分布着无数刀齿的多刃刀具。
磨削加工过程
在磨削工件时，接触工件的是多个刃尖，比较凸出且锋利的磨粒可以获得较大的切削厚度，形成切屑;不太凸出或较钝的磨粒切削厚度过小，会在工件表面刻划出痕迹，工件材料被挤向磨粒两旁而隆起;高度很小的磨粒既不切削也不刻划，只是与工件表面产生滑擦作用。即使是凸出程度和锋利程度相同的磨粒，其磨削过程也可看作滑擦、刻划、切削的连续作用。因此，磨削加工的切削过程可分3个阶段(图1)。
① 滑擦阶段：磨粒开始挤入工件，滑擦而过，工件表面产生弹性变形而无切屑。
② 耕犁阶段：磨粒挤入深度加大，工件产生塑性变形，耕犁成沟槽，磨粒两侧和前端堆高隆起。
③ 切削阶段：切入深度继续增大，温度达到或超过工件材料的临界温度，部分工件材料明显地沿剪切面滑移，形成磨屑。
根据条件不同，磨粒的切削过程的3个阶段可以全部存在，也可以部分存在。见图2,在磨削过程中，磨粒受到工件材料变形的阻力F1 以及磨粒与工件表面间的摩擦力F2, 形成磨削力。磨削过程所消耗的能量几乎全部转变为磨削热。磨削力和磨削热都影响磨削精度。
在磨削过程中，参加磨削的磨粒逐渐变得圆钝，磨削能力不断下降。这些磨钝的磨粒承受的磨削力F会随之增大。当F 超过磨粒本身强度极限时，磨粒破碎，破碎后的磨粒会形成若干新的锋锐棱角继续参与磨削。立方氮化硼 (CBN) 磨粒的硬度很高，要充分发挥CBN 磨粒的优越性，对CBN砂轮的结合剂把持力和强度要求就要高些。当磨粒磨损到一定程度后，需要把砂轮工作面上的结合剂挖掉一部分，即对砂轮修整开刃，为磨削时提供足够的容屑空间。
磨削烧伤
磨削表面质量包括磨削表面粗糙度和磨削表面层的物理机械性能两方面。因为磨削加工时磨粒对工件的作用包括滑擦、刻划和切削，并且大多数磨粒是负前角和小后角，所以在整个磨削过程中会产生大量的磨削热，使磨削区的瞬时温度达到1000℃左右。在磨削热量、磨削力二者的综合作用下，零件表层因温度不同而出现二次热处理的金相组织变化，从而使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力，甚至引起显微裂纹，严重影响零件的使用性能，这就是磨削烧伤的成因。磨淬火钢时，在工件表面层形成的瞬时，高温会使表面金属产生以下三种金相组织变化(图3):①如果工件表面层温度未超过相变温度Ac3(一般中碳钢为720℃),但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为300℃),这时马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这称为回火烧伤;②当工件表面层温度超过相变温度Ac3时，如果有充分的切削液，则表面层会急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，导致表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤;③当工件表面层温度超过相变温度Ac3时，马氏体转变为奥氏体，如果无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这称为退火烧伤，干磨时很容易产生这种现象。
不论哪一种磨削烧伤，磨削过程中工件表面温度的急剧上升，以及之后开始的冷却直至最后冷却，都会引起零件表层的热胀冷缩，造成自工件表面至内部的各层产生各异的残余应力。如果表面的残余应力呈现为拉应力态势，且幅值较大，则会产生质量隐患。如果磨削烧伤发生在交变载荷工作环境中对表面质量有很高要求的旋转类零件(例如变速器中的齿轮轴、齿轮等)上，一方面会因工作表面硬度的下降直接影响零件使用性能，另一方面，由于磨削后零件表层存在较大的残余(拉)应力，在交变载荷作用下易产生疲劳裂纹，随着裂纹的不断扩展，最终会导致零件失效。
磨齿烧伤的判定
磨齿烧伤的传统检测方法有3种，可做定性或定量评价，具体见表1。
1)观色法即观察磨削后零件表的“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，反射光的涉状态也不同，因此会呈现出各种颜色，如黄色、草黄色、褐色、紫色等，即“回火色”。值得注意的是，表层没有“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，不需要采用专用设备，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。
2)酸洗检查法是目前生产上普遍使用的方法，原理是钢材中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，若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;若发生二次淬烧伤，金相组织为淬火马氏体，酸蚀后呈现白色。
3)表层显微硬度判别法根据回火烧伤后表层硬度下降的原理，以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。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相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。
磨齿烧伤的无损检测方法为磁弹法，可综合判断金相 (硬度)和应力的状况。定量化的检测数据，能为企业提供新的质量管理视角，进而延伸到工艺流程，为改进工艺流程提供可靠的依据，符合目前大数据管理的趋势。
磁弹法通过巴克豪森原理，将电磁信号数值化地表现出来，从而间接地判断工件是否发生了磨削烧伤，具有操作简单、方便、高效等优点，而且对工件表面不会造成任何破坏，因此在齿轮产品表面磨削烧伤的检测中具有较大的优越性和广阔的应用前景。该方法被沃尔沃 (VOLVO) 、重庆綦江齿轮、重庆齿轮箱有限责任公司等企业在生产实践中应用。
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，且低于相变临界温度Ac时，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”, 见图4a。此时该表面的硬度一般为 HRC51~HRC57。
次淬火烧伤：淬火钢的马氏体组织在750~850℃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。零件表层硬度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，见图4b。
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，容易出现裂纹。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，见图5a。
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，见图5b。
磨削烧伤的危害
磨削烧伤除了容易引发磨削裂纹外，还主要存在以下危害;
a) 较轻的磨削烧伤情况下，零件在使一定时间后，表层硬度会下降，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 VT中间轴齿面为例，由于表面硬度降低，齿轮承受接触应力的能力显著下降，导致齿成出现点蚀、剥落、失效等质量事故，使得齿轮失去正常的工作能力，见图6、图7。
c) 由于齿面剥落，与之啮合的齿轮容易产生齿面凹坑等失效形式。
二、影响磨齿烧伤的因素
磨削烧伤和磨削裂纹均因磨削热过高引起，因此预防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。
机床磨削方法对磨齿烧伤的影响
目前使用的磨齿设备主要分为两大类：展成磨齿机和成型磨齿机。由于两者磨削原理不同，磨削方法也就不同，从而决定了磨齿烧伤的倾向性不同。切向进给，又称等距离进给，是展成磨齿机的主要进给方式。径向进给，是成型磨齿机的主要进给方式，见图8。展成磨齿机的磨削原理为齿轮与齿条啮合原理。假想砂轮为一齿条，让被加工齿轮在假想齿条上做往复跑合，跑合过程包括一个直线和一个圆周两个动作的综合，动作的不同速率通过挂轮或计算机控制，从而合成一条渐开线。磨削时最常用的方法是加工同一齿槽的一个齿面后再加工另一个齿面。由于是线接触，磨削瞬间产生极高的温度，又因为砂轮与齿面接触面积较小，在齿面上形成的压强较大，对表层拉应力也较大，这种加工方法最容易产生裂纹。但它在磨削时冲程较大，一般粗磨为90m/min。各啮合线之间有间隔时间差，又有利于散热。因此“展成磨”不易产生表层回火这种过热烧伤，见图9。
VT中间轴为多联齿，受零件结构限制，齿圈A 和齿圈 B 只能采用成型磨齿机，它的进给方向垂直于加工工件，即径向进给，见图10。成型砂轮的形状等于最终齿型形状，但齿槽在未加工前形状较窄(因为有留磨量)。根据齿轮的原理，当砂轮远离齿圈时，砂轮会与齿轮上压力角较小的位置先接触，并非砂轮和齿轮设计的压力角重合，因此在前期磨削过程中，齿轮分度圆以上的部分并未参加切削。而分度圆下端，特别是滚刀过度弧上端位置，刀量去除较大。随着径向的进给，齿轮下端量值减少而上端量值增大，这样在相同的径向进给量的前提下，就形成了不同的金属去除量。成型磨多为双面磨削，即砂轮对一个齿槽的左右齿面同时进行切削，冲程进给缓慢。一般粗磨为2500～3000mm/min, 进给量较大，而且对同一齿槽连续磨削多次，这样就形成了砂轮与齿面接触痕迹为两个面。由于是连续磨削，极不利于散热和冷却液的进入，成型磨齿机容易引起齿面的表层回火及二次淬火烧伤。但是由于它的磨削为两面平衡受力，且接触面积较大，对齿面的拉压应力较小，不易产生裂纹。以上分析表明，成型磨齿机的磨削原理决定了磨削烧伤的倾向性很大。
砂轮选择对磨齿烧伤的影响
CBN 是硬度仅次于金刚石的超硬切削材料之一，是在约50kbar的高压和1700℃的高温下形成的材料。它于1957 年由美国GE 公司首次合成，随后得到了广泛的应用。
CBN 砂轮磨削特性：1)CBN 硬度仅次于金刚石，而远高于其他普通磨料，高硬度意味着切削能力更强，其机械强度是碳化硅磨料的2 倍多，韧性比金刚石高，可以磨削各种高强度、高硬度的钢材和铸铁。其砂轮耐用度与磨削效率是其他普通磨料砂轮所不能及的。
2) CBN砂轮的导热性和热稳定性极高，在1200℃下仍可保持硬度不变。
3) CBN砂轮的化学惰性高，稳定性好，特别是与铁、碳没有明显的化学亲和力，这决定了它在磨削铁族金属时的价值。
4) CBN砂轮具有高耐磨性，这意味着它比普通磨料更难磨损，保持磨粒形状的能力是 CBN 作为高性能磨料的主要特性之一。
CBN 砂轮选择：在制造和选择 CBN 砂轮时主要考虑以下四个因素的影响。
(1)结合剂
CBN 磨具常用的结合剂有树脂、金属、陶瓷和电镀，其中，陶瓷结合剂的 CBN 磨具发展最快。在世界范围内，陶瓷 CBN 磨具的占比已达到50%以上。这缘于陶瓷 CBN 磨具磨削效率高，形状保持性好，耐用度高，易于修整，砂轮使用寿命长。
(2)磨料
磨削时，磨料是磨具中的主体，它的性能直接影响着磨削的效果。不同牌号的 CBN 磨料，因制造工艺的不同，晶体形态、颗粒形状也不同，具有不同的强度、热稳定性、耐化学侵蚀性和破碎特性。应根据工艺和使用要求选择不同牌号的磨料。需要指出的是，CBN 磨料在高温下易与水和碱性氧化物发生化学反应，导致结构破坏，这是在选择磨削液时必须考虑的因素。
(3)浓度
根据规定，磨料在磨具中浓度为100%时，每立方厘米含 4.4 ct(0.88g) 的磨料，此值相当于体积的 25% 。浓度代号规定见表2。
砂轮浓度的高低代表了在磨削时砂轮工作面积上参与磨削的磨粒的多少。高浓度可带来高的磨削比。提高浓度还可以降低工件表面的粗糙度，但同时会增加磨削力并产生更高的磨削热。
(4)硬度
磨具的硬度等级表示结合剂对磨料把持力的大小，它是制造商工艺控制的重要指标，也是用户选择磨具的主要性能参数。目前国内还未制定硬度检验标准。
CBN 砂轮使用时应考虑的问题：
(1)CBN 砂轮需要采用高砂轮速度
提高砂轮工作线速度，可以明显提高磨削效率和磨削比，减小砂轮上承受的磨削力，减小磨损。目前，成型磨齿机CBN 砂轮线速度为30~35m/s 。在条件允许的情况下，尽可能使用高速度是提高 CBN 磨削技术性和经济性的重要手段。
(2)磨床需要有高刚性和良好的抗振性
高速磨削和 CBN 砂轮磨削的特点，要求机床主轴和整体具有高刚性和良好的抗振性，从而保证磨削工件的精度和表面质量，这是CBN高速磨削技术对磨床的基本要求。不具备这样的条件，在使用CBN 砂轮时，要想获得更高的金属去除量，工件的几何精度和表面质量就会变差。波纹是常见的表面质量缺陷，由振动造成。引起振动的原因是机床刚性低、抗振性差或砂轮参数设计不合理导致磨削力过大，这会直接影响砂轮的磨损程度，使磨削比降低，磨削加工成本大幅度提高。更为严重的是机床的弱刚性会产生严重的粘屑，使砂轮不能继续磨削，需要修整砂轮后才能正常磨削。修整频次的增加会加剧砂轮的损耗，使加工成本大幅增加，同时使磨削表面产生振纹和烧伤，表面粗糙度变坏。
(3)CBN 砂轮的修整
使用金刚滚轮修整，不仅可提高修整效率，还可获得较好的砂轮形貌。使用其他修整工具，很难完成对高硬度砂轮表面的修整。修整装置的进度精度要高，每次进给量应能达到微米级。
(4)CBN 砂轮需要专用磨削液
磨削中，90%以上的能量转化为热能，这些热能必须被冷却液最大限度地吸收并带走，否则工件就会烧伤。对 CBN 砂轮来讲，还要考虑 CBN磨料与水在高温下所产生的化学反应对磨料的破坏。正确选择冷却液种类和冷却工艺参数，往往会收到事半功倍的效果。使用不同的冷却液，会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。
参考文献略.