基于故障树的蜗杆齿面裂纹原因分析

王海涛，申勇，太万辉

基于故障树的蜗杆齿面裂纹原因分析

王海涛，申勇，太万辉

（中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015）

针对蜗杆在加工中出现齿面裂纹的问题，建立了蜗杆齿面裂纹故障树，从设计硬度、锻件毛坯、热处理、磨削工艺等原因进行了逐一分析，对故障进行了定位与机理分析。分析结果显示齿面裂纹呈现二次淬火磨削烧伤特征和回火烧伤特征，采用磨削前低温回火消除内应力，调整砂轮转速和进给量等磨削工艺参数解决了齿面裂纹问题。本文对通过故障树分析方法解决实际问题及蜗杆齿面裂纹的原因分析都具有指导意义。

故障树；齿面裂纹；磨削工艺

蜗杆是某升降驱动装置减速机的重要传动部件，材料选用17CrNiMo6。该批次蜗杆在磨齿过程中在其齿根、齿面发现多条裂纹，大部分在粗磨工序出现裂纹时，其中一件在精磨工序出现裂纹，裂纹主要表现为齿根块状剥落、齿面靠近齿根线状裂纹形式，裂纹肉眼可见，触感明显，严重位置有爆裂现象，详见图1、图2所示。

本文针对蜗杆在加工中出现齿面裂纹的问题，采用故障树的方法，建立了以蜗杆齿面裂纹为顶事件的故障树[1]，从设计、锻件毛坯、热处理、磨削加工等方面自顶向下对故障树进行展开完成故障树的建立；随后按照自底向上的方法对故障树中可能造成蜗杆齿面裂纹的原因即底事件进行了逐一分析和问题排查，在对故障机理进行深入分析的基础上通过问题复现等手段对故障进行了定位，并给出了相应的解决措施，通过实践验证了措施的有效性，有效解决了蜗杆磨削产生裂纹的问题。本文对如何建立故障树、通过故障树分析解决实际问题及开展类似齿面裂纹的故障原因分析，提供解决方案等都具有实际的指导意义。

1 故障树建立

故障树图一般是指的一种性质十分特殊的倒立式的树状逻辑因果关系图，主要通过事件符号、逻辑门符号和转移符号表述故障事件之间的因果关系。建立故障树时，应从顶事件出发，逐级向下分解，找出造成顶事件的直接原因即中间事件，重复上述步骤直至中间事件不能再次分解或者在实际分析过程中没必要再次进行分解，最底层的输入事件即所要分析的底事件[2]。通过该方法建立以蜗杆齿面裂纹为顶事件的故障树如图3所示。

图1 齿根块状剥落

图2 齿根线状裂纹

图3 蜗杆齿面裂纹故障树

2 故障树分析

蜗杆齿面裂纹故障树中已经列出了可能造成蜗杆齿面裂纹的所有原因即底事件，根据已经建立的蜗杆齿面裂纹故障树，通过对该故障树中所有底事件进行逐一分析和排除[3]，对蜗杆齿面裂纹问题进行故障定位，找到造成本批次蜗杆齿面裂纹的真实原因。

2.1 设计原因分析

蜗杆齿面裂纹蜗杆表面蜗杆材料为17CrNiMo6，按GB/T3480.5规定要求渗碳锻钢表面硬度660～800 HV或HRC 58～64，图纸设计渗碳淬火后表面硬度为HRC 58～62，符合国家标准要求。对比同类产品蜗杆，其渗碳淬火后表面硬度设计值与该要求值吻合，故可排除设计硬度值偏高A1。

2.2 锻件毛坯分析

（1）针对锻件化学成分的排查，根据锻件厂家提供的自查记录及锻件化学成分表，蜗杆材料选用17CrNiMo6，其化学成分符合17CrNiMo6技术要求，不存在超标情况，详见表1，可排除锻件化学成分超标B1。

表1 蜗杆锻件实际化学成分与材料要求对比

针对锻件非金属夹杂物进行的排查，随机抽取一个齿面裂纹蜗杆，沿蜗杆轴向取样，按 GB/T 10561－2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物检测，非金属夹杂物主要为 D 类球状氧化物，非金属夹杂物级别为：A0、B0、C0、D0.5、DS0，放大100倍后如图4所示，不存在超标情况。

图4 非金属夹杂物（100×）

同时查阅原锻件厂家自检记录，蜗杆锻件非金属夹杂物级别符合锻件技术要求及相关的国家标准，不存在超标情况，可排除锻件非金属夹杂物超标B2。

（3）对锻件晶粒度的排查，根据锻件厂家自查情况，蜗杆锻件本质晶粒度及实际晶粒度均为6级，符合锻件技术要求，不存在超标情况，可排除锻件晶粒度超标B3。

（4）针对锻件内部缺陷的排查，根据锻件厂家自查情况，蜗杆锻件在完成锻造出厂前进行了超声波探伤，探伤报告显示该锻件产品合格，可排除锻件材质内部缺陷B4。

综上所述，可排除锻件毛坯不合理A2。

2.3 热处理分析

（1）针对渗碳淬火后金相组织超标的排查，在抛光状态下观察，齿根位置有一处裂纹开口较大，裂纹沿平行于齿面方向向节圆扩展，裂纹长度约8 mm，如图5所示。在节圆表面存在数条微裂纹，裂纹垂直于齿面，在表面开口较大，向内逐渐变窄，裂纹尾部较尖锐，深度约1 mm。

图5 齿根部位宏观裂纹

腐蚀后对齿部进行金相组织检测，在齿面沿齿高方向约90%的齿面有二次淬火组织（未回火马氏体组织），深度约为0.01 mm。二次淬火组织的分布与齿面磨削烧伤检测观察的磨削烧伤位置基本一致，如图6所示。心部组织为板条马氏体，晶粒度为6.5 级，如图 7所示。齿顶未见二次淬火组织，通过对齿顶进行硬度检测，在距齿顶表面距离0.6 mm的范围内硬度为HRC54～57，越靠近齿顶表面的地方硬度值越低，在距离齿顶表面约0.6 mm的地方硬度值达到最高值，由此判断0.6 mm为渗碳淬火层厚度，蜗杆齿顶部位在磨削加工过程中发生回火。齿顶硬度检测数值如表2所示，其中CHD为1.38 mm。

图6 齿面表层二次淬火组织（500×）

图7 心部组织（500×）

表2 齿顶硬度检测数值

齿根未磨区域表面组织为：细针状马氏体＋弥散颗粒状碳化物＋少量残余奥氏体，碳化物级别：1级，马氏体级别：2级，残余奥氏体级别：2级，满足技术要求。可排除渗碳淬火后金相组织超标B5。

（2）针对渗碳淬火后硬度超标的排查，根据现场各热处理工艺车间人员现场的自查分析记录情况，渗碳淬火热处理完成后的试样表面硬度保持在HRC59.2～59.7，芯部硬度为HRC34～35.6，该硬度符合相关标准，无其他硬度超标问题，可以大致排除该试样渗碳淬火硬化处理结束后试样表面硬度存在的明显超标B6。

综上所述，可排除渗碳淬火处理不当A3。

2.4 磨齿工艺参数不合理分析

按照GB/T 17879－1999对蜗杆齿面进行侵蚀检验[4]，观察发现整个齿高方向，有约90%的区域呈白亮色，显示二次淬火磨削烧伤特征，剩余10%齿面呈深灰色，显示回火烧伤特征，如图8所示。

图8 齿面磨削烧伤检测

（1）针对磨齿时冷却液异常的排查，通过查阅车间的工艺记录，该机床工作正常，冷却液正常，可排除磨齿时冷却液异常B7。

（2）针对磨齿时进给量偏大的排查，通过查阅车间的工艺记录，磨齿时单次进给量不超过0.02 mm，将磨齿单次进给量降低至0.01 mm后，裂纹变的极其细微，不能排除磨齿时进给量偏大B8。

（3）针对磨齿时砂轮转速偏高的排查，通过查阅车间的工艺记录，磨削加工时砂轮转速为1800 m/min，将砂轮转速降为1200 m/min后，没有出现肉眼可见的裂纹；不能排除磨齿时砂轮转速偏高B9。

（4）针对磨齿时砂轮选择不当的排查，更换砂轮磨削后仍然出现裂纹，可以排除磨齿时砂轮选择不当B10。

（5）针对齿根未加工圆角的排查，在齿根处加工圆角后进行磨削仍然出现了裂纹，可以排除齿根未加工圆角B11。

综上所述，无法排除磨齿时进给量偏大B8、砂轮转速偏高B9的故障影响，进而无法排除磨齿工艺参数不合理A4故障原因。

2.5 故障定位

通过故障树分析，蜗杆齿面裂纹原因为磨齿工艺参数不合理A4，具体原因为磨齿时进给量偏大B8、砂轮转速偏高B9[5]。

3 故障机理分析

蜗杆的齿面是螺旋表面，磨齿时齿面直接受到砂轮磨粒面的旋滑刮擦、耕犁和切削。由于砂轮速度高，磨削砂轮的磨削过程发热量大，磨削热量不能很快散去，而是在极短时间内传到整个齿轮零件结构体系中。零件在磨削加工时会产生淬火效应，零件被加工表面因磨削会产生大量的热，使整个被磨削表面内部金属的奥氏体温度会迅速升高，如果此时热量不能被冷却液迅速带走，很容易在表面产生不同程度的烧伤。淬火效应使零件组织中残余的部分工件表层金属组织重新开始出现了奥氏体化，并可以通过再次磨削淬火重新成为马氏体，该马氏体的组织应力和磨削热应力的综合应力一旦超过了淬火后材料所允许承受的最大机械强度极限，便很可能容易产生磨削性裂纹[6]。

蜗杆采用17CrNiMo6钢材质，渗碳硬化后的表面碳含量可达0.96%，有极好的热淬透性和热淬硬性，在冷却环境差温升快温度高的情况下，局部较易出现过热。当温度超过渗碳后回火温度但低于相变温度时，齿面发生不同程度的回火；当瞬时温度超过钢的Ac1点转变温度时，随后遇冷却液迅速冷却，便在表层形成二次淬火马氏体组织，而表层下由于温度梯度大，时间短，会形成高温回火组织，表层与次表层之间形成拉应力，当表层薄而脆的二次淬火马氏体承受不了时，便产生裂纹。局部温度越大，奥氏体转变为马氏体脆性变大，更容易继续使裂纹变大[7]。

从磨削表面金相组织热处理情况异常及工件表面硬度异常等各项检测结果可知，轮齿表面发生了低温氧化回火和高温二次淬火。磨削后产生的裂纹也总是与高温二次淬火以及工件表面氧化烧伤等热处理现象同时出现[8]。蜗杆在用高温淬火处理或淬火加低温回火处理后，其表面组织的正常及微观组织情况一般看成是低温氧化回火马氏体层和高温热处理残余奥氏体，表面应力一般呈压应力状态。当蜗杆表面进行磨削时，金相基体组织结构已由原来回火后的马氏体结构逐渐变而成了高温回火索氏体结构或低温回火的屈氏体，表面也会因此产生一些拉应力，蜗杆表面组织变化越大，拉应力就越大，应力影响深度越大，蜗杆表面烧伤越严重。当磨削表面发生回火和二次淬火后[9]，虽然最外层表面奥氏体残余应力呈压应力状态，但表层非常薄，次表面索氏体或屈氏体残余应力呈拉应力状态，表面奥氏体层与次表面索氏体或屈氏体层形成了两个硬度差别较大的应力梯度，从而较为容易在该处产生裂纹[10]。

4 改进措施及验证情况

4.1 改进措施

对蜗杆工艺进行相应调整，热处理工艺按硬度下限进行控制，磨削参数按以下验证工艺参数进行，具体如下：

（1）蜗杆磨削加工前增加两次230℃×20h回火处理[11]，控制蜗杆齿面硬度约为58～59 HRC；

（2）观察齿面喷丸情况，如喷丸不良可重新喷丸或手工打磨处理直至符合要求；

（3）将蜗杆表面清理干净后，对蜗杆齿面先进行磁粉探伤，然后进行着色探伤，并出具相应探伤报告；

（4）探伤合格后，以蜗杆齿根圆找正校正减小弯曲变形的影响，同时通过打表齿面校正减小齿面扭曲变形，再精车蜗杆两端轴径至规定尺寸；

（5）磨削工艺参数调整，砂轮转速控制在1200 m/min以下，采用SG磨料、粒度46、硬度、陶瓷结合剂砂轮，单次进给量控制在 0.01 mm。

4.2 验证情况

对三件渗碳淬火后蜗杆进行两次230℃×20 h回火，首件按制定的措施磨削后，齿顶硬度HRC 58～59，齿面着色探伤无裂纹，后续两件加工后表面也未出现裂纹，质量稳定，证明调整后的蜗杆工艺措施有效，磨削过程中蜗杆齿面没有裂纹产生，该问题得到解决。

5 结论

蜗杆齿面裂纹的产生是一个涉及材料选用、设计、加工等多个领域的复杂知识领域，本文采用故障树分析方法，通过原因排查、问题定位、机理分析以及问题复现，找到了该批次蜗杆齿面裂纹的原因，并通过齿面硬度控制及磨削参数优化等措施解决了该问题，为通过故障树分析方法解决复杂系统问题提供了思路和方法。

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The Reason Analysis of Worm Tooth Surface Crack Based on Fault Tree Analysis

WANG Haitao，SHEN Yong，TAI Wanhui

( The 713th Research Institute of CSSC, Zhengzhou 450015, China)

Aiming at the problem of the tooth surface crack of worm in grinding, the fault tree of the tooth surface crack of worm is established. The fault location and mechanism are analyzed from the aspects of hardness, forging blank, heat treatment and grinding process. The analysis results show that the tooth surface cracks is charactered by second quenching grinding burn and tempering burn. And the low temperature tempering is used to eliminate the internal stress before grinding, and the grinding process parameters such as grinding wheel speed and feed are adjusted to solve the problem of tooth surface crack. This paper can provide reference for solving practical problems the FTA method and analyzing the causes of worm tooth surface crack.

fault tree analysis；tooth surface crack；grinding process

TG58

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.011

1006-0316 (2023) 00-0075-06

2022-12-15

王海涛（1978－），男，河南荥阳人，工学硕士，高级工程师，主要从事机械结构设计与研发工作，E-mail：wht_nwpu@163.com。