基于滚轮浸渍裂纹的失效工程机制分析及磨削工艺优化

第 1 章 绪 论1.1 引言船用柴油机是船舶的心脏，柴油机的稳定性、可靠性、经济性对整个船舶行业乃至整个国民经济都有着重要影响。我国船用柴油机可靠性与国外发达国家的船用柴油机存在较大差距，尤其体现在船用柴油机关键零部件的生产质量和使用寿命方面。从上世纪末开始，国家已逐步重视船舶行业的发展，已将提高船用柴油机的可靠性作为重要目标。配气机构是柴油机重要机构之一[1]，配气机构主要由凸轮轴、滚轮、挺柱、摇臂、阀桥、气门等多个构件组成。滚轮是船用柴油机配气系统关键零部件之一，滚轮模型如图 1.1 所示。在船用柴油机中，凸轮轴产生偏心运动，滚轮与凸轮轴相配合，将凸轮轴的偏心运动传递给挺柱，挺柱推动摇臂控制气门的闭合。船用柴油机滚轮的制造流程为：锻造→预备热处理→机械加工→最终热处理→磨削→表面浸渍处理→涂减磨材料二硫化钼。........1.2 本研究工作的内容、目的和意义本项目来源于陕西柴油机重工有限公司资助课题船舶用柴油机关键零部件低应力制造技术，以大批量出现裂纹的 GCr15 轴承钢低速船用柴油机滚轮为研究对象，对滚轮浸渍处理裂纹的产生机理进行深入研究，明确滚轮裂纹失效机制，并以失效机制为基础，进行磨削工艺优化以减小产生裂纹产生概率。本文深入研究滚轮浸渍开裂机理及其影响因素，优化滚轮磨削加工工艺规范，使工艺编制人员在编制磨削工艺参数时有章可循，制定正确的滚轮加工工艺，减小滚轮裂纹的产生概率，对提高船舶柴油机配气机构安全运行具有重要意义。陕西柴油机重工的孙俊、田永维和雷军等人针对生产中的失效滚轮浸渍处理之后产生的表面裂纹进行宏观与微观观测，已观测得滚轮端面出现由内圈沿径向外圈扩展呈太阳状裂纹，分部较为规律，裂纹长度经测量约为 2～7mm，如图 1.2 所示。对裂纹进行纵向观察，裂纹由表向内扩展，裂纹无分叉，顶部宽而尾部较尖锐，由外向内逐步变细，裂纹深度最大达约 250μm。同时进行残余应力检测，如图 1.3 所示，结果表明：滚轮端面在端面下约 0～10μm 的深度范围内存在压应力，而在端面下约 10～30μm的深度范围内存在较大拉应力层，拉应力最大值约为 500MPa[2]。崔随现、吴永兴等针对 7 个车用柴油机的合金钢和碳钢淬硬零部件的磨削裂纹进行研究分析，重点从三个角度：零件裂纹形态、裂纹处的微观组织、零件材料硬度，研究了磨削裂纹的产生机理。并指出磨削裂纹大多呈三种形态：平形状、网状、放射状[3]。郭天官以实际生产中低碳淬火钢在磨削时出现的表面裂纹为研究对象，研究其产生的原因并提出相应的预防措施。郭天官认为，磨削裂纹的产生伴随着磨削烧伤，当磨削产生的高温超过一定的范围，产生较大的热应力，最终产生裂纹[4]。彭瑜华、张敏和王伟晓以 12CrNi2A 滚轮的磨削裂纹为研究对象，从原材料、金相组织和磨削工艺三个方面对裂纹的产生机理进行分析与研究。研究表明，引起裂纹的主要原因是磨削工艺参数选择不当，尤其是磨削深度选择过大，通过重新选择合适的磨削深度进行加工，能够显著减小磨削裂纹[5]。戎玲华、魏佳顺针对 20CrMnMo 滚轮热处理后磨削时产生的磨削裂纹进行研究，对原材料进行化学成分测定、非金属夹杂测定，观测金相组织。研究表明：滚轮裂纹的产生与热处理工艺无关，主要由砂轮上不平整的磨粒和不当的磨削工艺参数引起，通过选择合适的砂轮和选择合理的磨削工艺参数可以解决裂纹的产生问题[6]。申戈琍描述了传动渗碳齿轮和高碳钢、合金钢模具磨削裂纹的特点，概括阐述了裂纹产生的原因及解决办法[7]。机械科学总院郭春秋以不同磨削工艺下的淬硬 GCr15 磨削裂纹为研究对象，研究了磨削裂纹的裂纹特征和磨削开裂的特点，对磨削开裂的影响因素做了深入分析，认为磨削开裂与氢致延迟性破裂关于[8~9]。陈文旗针对车用铝合金活塞裂纹进行失效分析，采用金相显微镜、SEM 扫描电镜对断口裂纹进行观察，判断裂纹为热疲劳裂纹，失效原因为活塞表面的初晶硅在热循环的作用下开裂形成微裂纹，随后微裂纹在高温下扩展，最终形成宏观裂纹[10]。.........第 2 章 应力腐蚀及磨削残余应力理论基础2.1 断裂力学裂纹分类和定义裂纹按几何特征分类可分为三类：（1）当裂纹沿着物体或物体某一部分穿过时，称为穿透裂纹，沿长度方向拓展；（2）当裂纹的深度长度完全在物体的某一表面时，称为表面裂纹；（3）当裂纹处于全部物体内部时，在物体表面无法观测，称为深埋裂纹[41]。裂纹按扩展特征可分为三类：（1）Ⅰ型裂纹即张开型裂纹，承受与裂纹面垂直的应力 σ；（2）Ⅱ型裂纹即滑开型裂纹，在与裂纹位移方向垂直的平面内承受剪切应力 τ；（3）Ⅲ型裂纹即撕开型裂纹，在与裂纹位移方向平行的面内承受剪切应力 τ。扩展特征分裂如图 2.1[44]。........2.2 应力腐蚀失效理论及影响因素应力腐蚀开裂是指金属处于特定的侵蚀性环境中，在应力和腐蚀介质的共同作用下，在远低于屈服强度的条件下（最低可以为抗拉强度 σS的 5%～10%）突然地发生无形变预兆的腐蚀破坏[45]。组织因素、材料力学性能和介质环境为影响金属应力腐蚀的最主要因素。材料存在的拉应力是发生应力腐蚀的必要不充分条件，材料的压应力集中部位不会发生应力腐蚀失效。材料从进入腐蚀环境中，至材料发生应力腐蚀的时间称为断裂时间 tF，材料中拉应力的数值越小，tF数值越大。金属热处理残余应力分为热应力和金属相变应力。首先是金属热应力。金属在进行热处理时，表层和心部温度不同，金属在不同的温度下体积膨胀和收缩不同而导致产生应力，这种应力称为热应力。当金属加热结束进行冷却时，因内外温差产生的热应力更明显。金属冷却时，表层迅速降温，内部温度来不及降低。表层温度低而心部温度高，表面体积收缩大于心部导致表面产生拉应力心部产生压应力；当冷却进行，表面已经冷却到室温，心部未完全冷却而继续体积收缩，受到外层的阻碍，而使表层产生压应力心部产生拉应力。热应力为最终两种应力叠加而成。其次是金属相变应力。金属在加热到一定温度并进行冷却时，金属的金相组织会发生转变。对于同样的金属材料，奥氏体比容小于珠光体，珠光体的比容小于马氏体。当淬火冷却时，奥氏体转变为马氏体会发生约 2%～3%的体积膨胀，这种因金属相变发生体积变化而产生的应力称为相变应力（也称为组织应力）。通常相变应力的大小与金属发生相变区的温度、金属的冷却速度、金属形状和金属的化学成分等众多因素有重要关系。金属热处理后的残余应力就是由热应力和相变应力叠加而来即材料内应力，最终的应力现实由热应力和相变应力叠加后的应力现实决定。一般热应力起主要作用，工件表面受压应力，心部受拉应力。反之，则心部受压应力，工件表面受拉应力。...........第 3 章 滚轮失效机制分析.............153.1 GCr15 钢热处理特点及原材料成分分析 .............. 153.2 裂纹类型判断 ......... 173.3 失效滚轮金相组织观察分析 ......... 183.3.1 失效滚轮金相组织腐蚀分析 ............ 183.3.2 失效滚轮金相组织分析 ....... 193.4 失效滚轮硬度测量及分析 ............. 193.5 滚轮失效机制分析 ............. 223.5.1 失效现象描述 ........... 223.5.2 失效机制分析 ........... 223.6 本章小结 ..... 25第 4 章 热处理、磨削工艺对温度、残余应力及磨削力仿真分析.........264.1 热处理对残余应力影响分析......... 264.2 磨削工艺参数对温度及残余应力影响分析......... 284.3 负前角对温度和法向力的仿真分析......... 394.4 本章小结......... 43第 5 章 砂轮及磨削工艺参数对磨削表面质量影响分析........455.1 砂轮及工艺参数简介.......... 455.2 表面形貌影响分析 .............. 465.3 本章小结......... 53第 5 章 砂轮及磨削工艺参数对磨削表面质量影响分析5.1 砂轮及工艺参数简介由上文分析可知，为得到较理想的磨削效果，需砂轮磨粒保持较大的前角。磨粒随着磨削的进行会逐步变钝，即前角减小。为保持磨粒的锐利，需选用磨粒抗弯强度较大的砂轮进行磨削。原磨削加工时砂轮材料为白刚玉（氧化铝），粒度为 46，Φ350mm，硬度代号为 即砂轮型号为 WA350×40×127 46，如图 5.1(a)所示。平面磨削时砂轮转速 1440r/min（磨床选择 M7130 改进型），磨削深度为 0.01～0.02mm，工件速度选择为中速（约10m/min）,冷却液为水性乳化液。本章采用不同的磨削参数，针对磨削试样进行磨削，通过观测表面形貌和测量粗糙度，分析磨削参数对磨削表面质量的影响，结果表明：（1）工件表面的沟槽塑性变形、表面粗糙度，随磨削深度 ap、工件速度 vw的增大而增大；磨粒滑擦、耕犁后未断屑的塑性堆积层随磨削深度 ap、工件速度 vw的增大而增多。（2）铬刚玉砂轮在相同磨削条件下，得到的磨削表面质量高于白刚玉砂轮。

........总结本文在总结国内外材料失效分析、磨削残余应力理论和仿真研究的基础上，以陕西柴油机重工实际生产中滚轮浸渍裂纹为研究对象，充分分析裂纹产生的机理、残余应力的来源，本文主要工作包括：（1）针对裂纹产生机理进行深度分析，首先利用直读光谱仪、扫描电镜、显微硬度计对失效滚轮材料进行深入分析，排除裂纹的产生是由原材料缺陷引起；其次观测了失效滚轮热处理和磨削工艺后的金相组织，并进行显微硬度测量，推断因为磨削热，使得热处理后的金相组织产生相变，产生残余应力；最后在提出结论，认为滚轮裂纹是由应力腐蚀引起。（2）利用 SYSWELD 有限元软件建立滚轮热处理仿真模型，仿真了在实际热处理工艺参数下，热处理残余应力的分布情况。仿真结果表明，热处理后残余应力随滚轮轴向深度的增加先减小后增大。利用 ANSYS 有限元软件对滚轮磨削温度及磨削热应力建立仿真模型并进行仿真，仿真结果表明滚轮磨削时温度很容易达到滚轮材料的相变温度，且磨削热应力随磨削深度、砂轮线速度的增大而增大，随工件进给速度的增大而减小。利用 Deform 软件建立磨削负前角磨削仿真模型，结果表明，磨削温度随负前角的增大而减小，磨削时应尽量增大前角。（3）通过共聚焦扫描显微镜对不同磨削参数下的磨削表面进行观察，利用表面粗糙度仪对磨削后试样表面粗糙度进行测量得出结论：铬刚玉砂轮在相同工艺参数下磨削表面的塑性形变、未断屑塑性堆积均小于白刚玉，表面粗糙度也小于白刚玉砂轮磨削后表面。为获得较好的磨削表面，应尽量减小磨削深度，适当放大工件进给速度。（4）以减小裂纹产生概率为优化目标，针对磨削工艺进行工艺优化。优化结果表明优化后的磨削温度明显小于优化工艺前，且裂纹产生概率明显减小。..........参考文献（略）