M14直槽机用丝锥磨削开裂原因分析与探讨.pdf

税妍，赵琦，邓亚弟，等 微量润滑技术代替切削液的工程应用研究 工具技术，（）：覃孟扬，徐兰英，潘小莉，等 低温微量润滑刀具耐用度试验研究 机械设计与制造，（）：李海峡，赵庆军，申绍旭，等 基于 的切削加工技术应用 工具技术，（）：，（）：王磊，王贵成，马利杰 钻削加工有限元仿真的研究进展 工具技术，（）：徐高飞 金属玻璃（）切削加工刀具磨损形态研究 秦皇岛：燕山大学，金蒙，赵岩，赵光光，等 基于 本构的 型金属玻璃激光加热辅助切削仿真研究 高技术通讯，（）：张晓琴 镍基高温合金在低温冷风射流微润滑条件下的切削研究 西安：西安石油大学，第一作者：梁正一，硕士研究生，沈阳工业大学机械工程学院，沈阳市 ：，通信作者：杨赫然，副教授，沈阳工业大学机械工程学院，沈阳市 ：，收稿日期：年 月 直槽机用丝锥磨削开裂原因分析与探讨张林，王振宇，翟彦召，刘阳阳河南一工钻业有限公司摘要：直槽机丝在磨槽后易出现批量开裂，从断口形态、生产过程、金相组织、非金属夹杂物以及磨削应力等不同角度进行分析，探究导致机丝磨削开裂的各种因素。原材料中 含量偏高会导致耐磨性增加，含量高会导致夹杂物增多，磨削烧伤会导致磨削应力大；磨削应力在牙底集中，当超过材料的断裂极限时会导致产品出现批量开裂。关键词：高速钢；机丝；磨削；开裂；热处理；夹杂物；磨削应力中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言机用丝锥是一种常用的内螺纹加工工具，在批量加工小孔径内螺纹时几乎都采用其进行攻丝。攻丝通常在底孔上进行，切削和排屑都在极其狭窄的空间。攻丝往往是机加工的最后一道工序，机用丝锥断裂可能会导致整个工件报废，造成经济损失。由于机用丝锥断裂的影响极大，去除难度大，阻碍了工序正常生产，因此在机用丝锥的生产加工中必须进行严格的质量控制，防止机用丝锥在攻丝过程中开裂。机用丝锥材料以高速钢为主，通用的机用丝锥材料为 （）高速钢，新的 （）材料也在逐步推广应用中。相较于 材料，材料的含钒量从 提升到 左右，含钒量更高，含碳量亦同步提高，所以 具有更高的硬度、韧性和红硬性。随着含钒量工 具 技 术和含碳量的提升，加工难度增大，磨削时易烧伤和磨裂。在机用丝锥的加工过程中应避免出现磨削裂纹，而在生产时发现，直槽机用丝锥存在磨槽后严重开裂的现象。因此，本文主要探究 机用丝锥的开裂原因，并提出解决方法。?裂纹形态、原材料与加工工艺?裂纹形态现场分析时发现，产品开裂位于磨槽工序，毛坯磨削后出现肉眼几乎很难发现的细小磨削裂纹。放置过程中，裂纹不断扩展，变得更粗更长。裂纹的形态垂直于轴线，位于牙底尖角处。有的机用丝锥存在一条裂纹，有的存在数条裂纹。现场取样发现，样品从 高度落下，即发生断裂（见图 ），断口瓷实，呈现出明显的金属光泽，没有黑斑（见图 ）。图 断裂机用丝锥样品图 断口特征为了更好地分析问题产生的原因，必须了解机用丝锥在磨槽前的原材料成分、机加工工序和热加工工序，并逐一进行分析。?原材料成分刃部原材料采用 高速钢（国外进口材质），柄部原材料采用 钢，原材料成分见表 。表 原材料成分（）元素 刃部 柄部 元素 刃部 柄部?前序加工工艺磨槽前的机加工工艺：高速钢下料，对焊，退火，粗车外圆，打中心孔，精车外圆，铣方，滚丝成型，铣槽，热处理，磨槽。热加工工艺：通过热处理对毛坯件进行淬火，刃部和柄部分开处理，先淬刃后淬柄。热处理工艺：预热 ，时间 ；在 条件下淬火加热 ；分级冷却，时间 ；回火三次，每次 。淬柄工艺：加热 ，水冷，回火 。柄部回火后进行喷砂，校直后进行精加工。通过对热处理分厂相关工序检查未发现异常情况，校直过程中也未发现明显的开裂现象。如果热处理发生开裂，校直时会明显异常，断裂率会明显上升。从断口分析可见：断面呈现金属光泽，无氧化发黑现象，说明校直后磨槽前没有开裂现象，开裂发生在磨槽工序。?金相组织与化学成分检测?热处理淬火和回火金相检测虽然热处理后没有发现裂纹，但是热处理淬火温度的高低、回火金相组织和原材料夹杂等都可能产生异常，从而导致磨削开裂。高速钢的淬火是为了获得良好的硬度、韧性和红硬性 。高速钢中合金碳化物比较稳定，一般加热到 以上才能观察到明显的碳化物溶解现象。生产中一般根据晶粒度大小控制在 左右。淬火温度低，碳化物溶解不充分，热处理后硬度低，产品耐磨性降低；热处理温度高，容易导致晶粒长大，碳化物溶解过多，甚至出现过热现象。热处理硬度偏高，容易导致产品脆性增大，使用过程中容易出现崩刃、烂牙和断裂等现象。同时也会给机加工带来麻烦，容易导致磨削烧伤和开裂现象 。回火时，淬火马氏体析出合金碳化物，形成回火马氏体，大幅度降低淬火应力。残余奥氏体发生分解与转变，残余奥氏体的量从 降低到 左右。回火充分是保证丝锥质量的基本条件 。回火不充分会导致残余奥氏体量过多，在后续的加工与使用过程中发生转变，再次产生淬火马氏体，导致产品开裂。对断裂样品的开裂处进行取样，并进行淬火晶粒度和回火充分性分析。采用 的硝酸酒精按技术要求进行腐蚀，金相显微镜检测发现：淬火晶粒度为 左右，碳化物溶解正常，呈弥散分布，网状和带状结构为 级（见图 ）。回火组织良好，未出现淬火马氏体，残余奥氏体的量很少，回火一级。过热级别判断：淬火没有出现明显温度异常，热处理不过热，如图 所示。热处理硬度为 。图 网状结构（）图 回火金相（）年第 卷?电镜检测分析取断裂样品和标准样品对比发现：断裂样品的碳化物尺寸（见图 ）和标准样品（见图 ）基本类似，但是 （，）的碳化物比例和尺寸明显偏高，从截面数量看，（，）碳化物的数量更多（见图 浅灰色碳化物），是标准样品的 倍左右，并且相对粗大，部分大颗粒在 左右，标准样品中 类型碳化物更为弥散，尺寸在 左右。钢中的 类碳化物主要是含钒的碳化物，这类碳化物是高速钢中的高硬度质点，尤其是 含有 元素时，类碳化物的耐磨性更高。磨削时，磨粒与工件相对擦滑过程中会使砂轮磨料出现机械磨损和反磨削现象，即工件中的硬质点把砂砾磨去。这种现象在磨削高钒高速钢时非常明显，尤其是高钒高速钢又含 元素时，班产量下降 。当高钒高速钢中含 ，类碳化物尺寸又偏大且含量比例偏高时，高速钢的强韧性会明显下降，耐磨性提升，为开裂埋下隐患。图 断口处电镜形貌图 标准样品电镜形貌?非金属夹杂物分析：钢中的夹杂物是其夹带的各种非金属物质颗粒的总称，一般受热处理的影响较小。高速钢中的夹杂物越多，钢的洁净度越低。夹杂物的数量、尺寸以及分布都对高速钢的性能产生重要影响。高速钢中非金属夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性，容易出现开裂、崩刃和掉块现象 。通过对样品制样，在裂纹通过区域发现了明显的非金属夹杂物。如图和图 所示：在明场下，非金属夹杂物呈现黑色；在暗场下，非金属夹杂物呈明亮特征。部分颗粒比较大，在 左右，部分颗粒比较小，呈团状斑点。夹杂物割裂了基体，应力在夹杂物处集中并释放，导致裂纹沿着非金属夹杂物扩展，并将这些夹杂物串联起来。高速钢中非金属夹杂物主要含有 ，等元素，其中 和 具有国家标准，和 没有国家标准。通过对断裂样品进行元素分析，并测得 元素含量为 ，居于高速钢电渣钢的上限。高速钢中的 元素偏高，不仅有利于形成一系列夹杂物，还更能提高钢的冷脆转变温度，过高的 含量对晶间解离断裂具有促进作用。非金属夹杂物偏多，导致材料韧性降低，为裂纹生成和扩展提供了内部条件。图 非金属夹杂物明场图像（）图 非金属夹杂物暗场图像（）含量达到 时，含量明显偏高，至少高于内控标准的 倍以上。元素偏高造成碳化物中 （，）碳化物的数量比例高，对磨削加工不利。?磨削对工件开裂的影响?热应力对磨削开裂的影响磨削是导致开裂的直接因素，磨削热起主要作用，热影响主要体现在生成拉应力。如图 所示，机用丝锥的牙面上出现了明显的发黑现象，生产中一般称为磨糊，发黑区域可以近似理解为热影响区，发黑区域越大越宽，说明烧伤越厉害。从放大图片可以看出，磨削过程中，磨削热很高，磨糊明显。磨削时机用丝锥的表层热膨胀，里层不变，热膨胀受到内层的阻碍产生热压缩应力，导致表层向外膨胀（向外膨胀的部分随即被磨掉）。当磨削结束后，工件冷却，表层体积不均匀收缩，内层尺寸不变。此时应力结构发生改变，表层体积收缩产生拉应力，芯部产生压应力，由于表层存在尖角，表层的拉应力会向牙底的尖角处集中。?组织应力对磨削开裂的影响在高磨削温度下，工件表层的金相组织产生变化。当磨削表面温度超过回火温度时会导致磨削面的硬度下降，统称磨削烧伤。当热影响区温度超过奥氏体化温度后，会产生磨削淬火，温度介于回火温度与奥氏体化温度之间时会产生磨削退火。高速钢有不同的金相组织，这些组织密度和比容不同，马氏体比容大，奥氏体比容小，从而导致高速钢在不同温度和组织下体积差异。一般来说，淬火马氏体比容最大，回火过程中，随回火温度的升高，比容逐渐降低，体积逐渐收缩。通过对磨削表面的金相检测发现（见图 ），未发现明显的淬火层，工 具 技 术只是存在轻微的表层过回火现象，磨削退火区为 左右。过回火马氏体的比容随过回火的温度升高而降低，导致表层体积收缩，产生拉应力。由于存在尖角效应，组织变化产生的拉应力会进一步向牙底尖角处集中。图 磨削热烧伤影响区图 磨削热影响区的表层组织（）磨削表面应力是热应力和组织应力共同作用的结果，牙型结构为应力的集中提供了外部条件。当牙底处的表面应力集中超过材料的强度极限后，牙底处就会产生裂纹，磨削应力是导致开裂的直接因素。产生应力集中后，随着时间的延长，裂纹从牙底应力集中处形成，并不断扩展，从而导致磨削开裂 。?导致磨削开裂的原因及解决措施?开裂原因从以上分析可知：中的 含量偏高，导致高速钢的耐磨性显著增强，砂轮的磨削性降低，为磨削烧伤埋下隐患。含量偏高，导致高速钢中非金属夹杂物增多，为裂纹的生成和扩展提供了内部条件。丝锥结构复杂，存在大量尖角，牙底结构为应力的集中创造了外部条件，磨削应力是导致开裂的直接因素。上述因素叠加，导致产品在磨削后出现开裂现象。?解决措施由于丝锥还存在大量的未磨削半成品，通过以下措施来降低磨削开裂：对未磨削的样品进行再次回火，适当降低热处理硬度；适当降低磨削效率，降低单刀磨削量，尽最大可能降低磨削烧伤；对磨削后的产品进行去应力处理，消除磨削应力，防止开裂。?结语对于高钒高速钢，需加强原材料控制，设置合理的内控标准。需严格控制钢中的 和 ，含量过多会直接导致夹杂物多，降低高速钢韧性。虽然 元素对提高钢的耐磨性有好处，但是合适且稳定的元素含量以及细化的 系列碳氮化物，对高钒高速钢的热处理以及磨削加工尤为重要。参考文献 戴起勋 金属材料学 北京：化学工业出版社，：郭耕三 高速钢及其热处理 北京：机械工业出版社，：陈顺民，董向阳 钢制大规格机用丝锥的热处理 热处理，（）：徐启明，王飞，徐和平 浅析高速钢的内在质量对刀具性能的影响 工具技术，（）：王从曾，刘会亭 材料性能学 北京：北京工业大学出版社，第一作者：张林，工程师，河南一工钻业有限公司，河南省新乡市 ：，年第 卷