Rachaduras na retificação de engrenagens: Causas e medidas de prevenção

I. Requisitos de processo para a moderna retificação de engrenagens com superfície de dentes duros

1. Áreas de retificação na retificação de engrenagens - A seção de perfil de dente invertido

Na moderna retificação de engrenagens com superfície de dentes duros, a área de retificação retifica apenas a parte do perfil do dente involuto que está acima do círculo inicial e abaixo do círculo final do involuto.

2. Zonas não retificadoras na retificação de engrenagens - Gear Root

As modernas superfícies endurecidas das engrenagens têm os seguintes benefícios quando a raiz da engrenagem não é retificada no processo de retificação da engrenagem:

(1) Evita a redução da dureza da raiz da engrenagem após o tratamento térmico, mantendo uma camada de tensão negativa formada na superfície e na raiz da engrenagem após a cementação, a têmpera e o shot peening. Isso melhora significativamente a resistência da engrenagem à fadiga por flexão e a capacidade de suporte de carga.

(2) O fundo estreito da ranhura da raiz da engrenagem, a baixa dissipação de calor e a variação significativa do material restante na curva excessiva afetam drasticamente as condições de trabalho do rebolo. Isso pode facilmente causar queimaduras e rachaduras durante a retificação de engrenagens.

(3) As más condições de esmerilhamento na parte inferior da ranhura da raiz da engrenagem fazem com que os grãos de esmerilhamento no círculo externo do rebolo fiquem propensos a cair e se desgastar, afetando assim a qualidade do esmerilhamento da engrenagem.

(4) Em termos de resistência à quebra de dentes, a raiz da engrenagem deve ter uma certa quantidade de corte de raiz. Sem uma certa quantidade de corte na raiz, ocorrerão inevitáveis saliências na raiz da engrenagem durante a retificação da engrenagem. Isso levará a uma séria concentração de estresse, afetando muito a resistência à quebra de dentes. A ocorrência de tais saliências é absolutamente inaceitável.

Em conclusão, não retificar a raiz da ranhura da engrenagem pode melhorar a capacidade de carga da engrenagem, evitar danos durante a retificação da engrenagem, melhorar a qualidade da retificação da engrenagem, reduzir a carga no processo de retificação e aumentar a produtividade.

3. Pré-esmerilhamento com uma placa para modelagem preliminar do dente

(1) Introdução aos fogões de pré-moagem

Tradicional fogões de engrenagem não são mais suficientes para atender aos requisitos do processo mencionado acima. Portanto, torna-se crucial utilizar uma placa de pré-moagem equipada com um ângulo de contato durante a fase de fresagem. O elemento diferenciador de uma placa de pré-moagem, em comparação com uma placa padrão, está na parte superior de seus dentes de corte, que emprega uma aresta de corte com um ângulo de contato, conforme ilustrado na figura abaixo.

Na raiz do dente da engrenagem, é realizada uma certa quantidade de rebaixamento da raiz. O objetivo é pré-formar a parte da raiz da engrenagem que está sendo processada e remover a maior parte do excesso da superfície do dente, deixando uma margem uniforme para a usinagem de precisão na espessura do dente. Após a cementação e a têmpera, a retificação da raiz do dente não é mais necessária.

(2) Requisitos para o formato do dente da engrenagem antes da retificação:

• A margem de retificação da engrenagem deve ser uniforme;

• Deve haver um rebaixo definitivo na raiz da engrenagem antes da retificação;

• A curva involuntária da engrenagem após a retificação deve ser suficientemente longa.

(3) Melhorias nos cortadores de fresa de pré-moagem

O uso inicial de fresas de pré-moagem apresentava os seguintes problemas:

• Formação insuficiente do envelope do arco na raiz do dente, suavidade abaixo do ideal, marcas visíveis de ferramentas e menos do que o ideal rugosidade da superfície.

• O problema das protuberâncias que apareciam perto do círculo inicial do involuto no processo de retificação de dentes era bastante grave.

Após pesquisas e análises direcionadas de longo prazo, identificamos os problemas como

• Um aumento no valor do subsídio de moagem;

• Deformação significativa após o tratamento térmico;

• Deficiências inerentes ao pré-esmerilhamento de fresas.

Devido à insuficiência na formação da linha do envelope das fresas de pré-moagem originais, propusemos a ideia de reprojetá-las, abordando os seguintes aspectos:

• Aumente o diâmetro externo das fresas de pré-moagem;

• Aumente o número de fileiras de ferramentas nas fresas de fresagem;

• Projeto com ângulo de pressão variável;

• Aumente a quantidade de escavação da raiz adequadamente, garantindo a resistência da engrenagem.

Os requisitos acima foram acordados com empresas nacionais tecnicamente capazes fabricantes de ferramentasA empresa, em conjunto, desenvolveu e produziu um novo tipo de fresa de pré-moagem adequada para o processamento de engrenagens para serviços pesados. Além de resolver completamente os problemas anteriores, o novo cortador de fresa de pré-moagem também resultou em uma área de raiz muito lisa da engrenagem processada, produzindo excelentes resultados.

(4) Trincas de esmerilhamento e marcas de queimadura não são permitidas no esmerilhamento de engrenagens.

O processo de fratura do dente da engrenagem normalmente começa com a formação de pequenas rachaduras por fadiga, que se expandem gradualmente. Portanto, os padrões nacionais e internacionais de engrenagens especificam: não são permitidas trincas ou marcas de queimadura na superfície da engrenagem endurecida após a retificação da engrenagem.

II. Características e causas de trincas por esmerilhamento em engrenagens de superfície de dentes duros

1. Características das trincas de esmerilhamento em engrenagens de superfície de dentes duros

As trincas de esmerilhamento são as trincas de superfície mais comuns. Sua profundidade vertical geralmente não ultrapassa 0,5 mm, sendo que as mais superficiais atingem apenas 0,010-0,020 mm. Embora às vezes elas possam ultrapassar 1 mm, isso é relativamente raro.

2. Causas da formação de rachaduras em engrenagens de superfície de dentes duros

O consenso nacional e internacional é que as trincas de esmerilhamento são causadas quando a tensão de esmerilhamento excede a resistência à fratura do material. Os fatores que afetam diretamente a tensão de esmerilhamento são:

(1) Tratamento térmico:

As trincas por esmerilhamento em engrenagens de superfície de dentes duros ocorrem principalmente em peças que foram submetidas a cementação, têmpera e revenimento em baixa temperatura. Portanto, a qualidade do tratamento térmico está intimamente relacionada às trincas por esmerilhamento e é um fator muito importante.

• Excesso de resíduos austenita aumenta a tensão de tração local.

• A têmpera insuficiente, a temperatura de têmpera muito baixa ou o tempo de têmpera insuficiente afetam o teor de carbono no martensita e a soldagem ou redução do tamanho das microfissuras de martensita, afetando, assim, a resistência à fratura da martensita. O calor gerado durante a retificação produz grandes tensões térmicas e estruturais, resultando em trincas de retificação.

• A grande deformação durante o tratamento térmico de cementação e têmpera resulta em uma margem de retificação desigual ou aumenta a margem de retificação do dente.

(2) Processo de moagem:

Como as trincas de esmerilhamento ocorrem durante o processo de esmerilhamento, a tecnologia de esmerilhamento é um fator essencial que não pode ser ignorado.

• Grandes tolerâncias de retificação podem gerar calor excessivo na retificação, causando tensões térmicas e estruturais. Essas tensões, combinadas com a tensão de retificação, aumentam a tendência de formação de trincas.

• Emparelhamento não razoável de quantidades de corte.

• Seleção inadequada do rebolo de esmerilhamento.

• Temperatura do óleo de resfriamento muito alta ou quantidade insuficiente de óleo.

III. Medidas tecnológicas para evitar trincas de esmerilhamento em engrenagens de superfície de dentes duros

1. Medidas de tratamento térmico

Os materiais que são mais sensíveis a trincas de esmerilhamento são mais propensos à formação de trincas durante o esmerilhamento. A redução da sensibilidade do material às trincas de esmerilhamento diminui a probabilidade de ocorrência de trincas.

Materiais como 20CrMnTi e 20Cr2Ni4A são mais sensíveis a trincas por esmerilhamento, e essa sensibilidade varia de acordo com as diferentes especificações de tratamento térmico de cementação.

Portanto, ele pode ser adequadamente regulado e reduzido por meio da alteração dos processos de cementação, têmpera e revenimento. As medidas a seguir são adotadas por esse motivo:

(1) Reduzir a temperatura de têmpera das peças cementadas: Para engrenagens fabricadas com 20CrMnTi, cementar a 930°C, resfriar diretamente após a cementação e, quando a temperatura de resfriamento diminuir de 860°C para 830°C, as trincas graves da retificação poderão ser eliminadas sem alterar as condições de retificação.

(2) A concentração de carbono na superfície deve ser adequada, controlada dentro da faixa de 0,7% a 0,9%. O gradiente de concentração de carbono deve ser gradual, garantindo boa resistência da superfície e distribuição de tensão.

O teor de carbono de As engrenagens para serviços pesados devem ser controladas no limite inferior, o que facilita o controle do tamanho e da forma dos carbonetos. Quando o teor de carbono é controlado no limite superior, isso aumenta a tendência de formação de resíduos austenitaA tendência é que o aumento do carboneto, a oxidação da superfície e a tendência de redução da resistência da raiz do dente.

De acordo com dados relevantes, os Estados Unidos controlaram a concentração de carbono na superfície de engrenagens para serviços pesados para cerca de 0,65%.

(3) Quanto menos suficiente for o revenimento, maior será a sensibilidade a trincas por esmerilhamento. Portanto, o revenimento completo é essencial para aumentar a ductilidade da superfície endurecida por cementação, permitindo que as tensões residuais se equilibrem ou reduzam e melhorem a distribuição das tensões superficiais. Isso, por sua vez, reduz a probabilidade de trincas por esmerilhamento.

(4) Controle a quantidade de austenita residual para evitar a transformação estrutural durante a retificação da engrenagem, o que leva a um estresse estrutural significativo. Limite rigorosamente a austenita residual a 25% e, para engrenagens cruciais, ela deve ser controlada a 20%.

(5) O foco principal é o controle do tamanho, da quantidade, da forma e da distribuição dos carbonetos para obter uma distribuição dispersa de carbonetos de granulação fina. Isso aumenta a resistência à fratura do material e reduz a fragilidade.

(6) Controlar o nível de martensita para obter martensita criptocristalina e fina em forma de agulha, evitando a formação de martensita grossa em forma de agulha, reduzindo assim as fontes de rachaduras e melhorando a resistência à fratura do material. O nível ideal de martensita é 3.

(7) Implementar as medidas de processo necessárias para controlar a deformação do tratamento térmico, reduzindo a margem de retificação.

2. Medidas tecnológicas em usinagem

A literatura indica que a temperatura média na área de contato entre o rebolo e a superfície da engrenagem normalmente varia de 500 a 800 °C, com a temperatura nos pontos de retificação atingindo até 1.000 °C.

Além disso, mais de 80% desse calor é transferido para a engrenagem. O calor substancial gerado durante a retificação de engrenagens leva a um estresse térmico significativo e à expansão e contração induzidas termicamente na área de retificação da superfície da engrenagem.

Se esse calor não for controlado de forma eficaz, a superfície da engrenagem pode facilmente desenvolver rachaduras e queimaduras.

Portanto, a ênfase das medidas tecnológicas de usinagem se concentrará na minimização e no controle do calor gerado pela retificação.

(1) Reduzir a rugosidade da superfície durante a fase de fresagem de desbaste para controlá-la entre Ra3.2 e Ra3.6.

(2) Regular estritamente o tamanho nominal restante durante a fresagem de desbaste, não é permitido aumentar arbitrariamente a margem de retificação.

(3) Após o tratamento térmico, ajuste rigorosamente de acordo com a posição prescrita e a faixa permitida para minimizar ao máximo o erro de distorção térmica.

(4) Antes da retificação, é imperativo usar a tecnologia de corte por rolo na superfície do dente endurecido para raspagem do dente. Isso garante uma margem de retificação uniforme, reduzindo-a ao máximo, minimizando assim o calor da retificação.

(5) Selecione e combine as quantidades de corte de forma racional. Os princípios orientadores devem ser velocidades mais altas do rebolo, cursos mais rápidos e avanço adequado. De acordo com dados estrangeiros: a fase de esmerilhamento da superfície do dente é o momento crucial para a formação de trincas de esmerilhamento. A grande maioria das trincas de esmerilhamento ocorre nesse estágio. Deve-se prestar atenção especial durante essa fase.

(6) A seleção do rebolo é uma etapa crucial no processo de retificação de dentes. A escolha adequada do rebolo tem grande impacto na precisão e na eficiência da retificação de dentes. A escolha inadequada da dureza, do tamanho do grão ou da estrutura do rebolo pode facilmente causar queimaduras na superfície e trincas na retificação. Portanto, o rebolo deve ser escolhido considerando os seguintes aspectos:

• Abrasivo: O corindo vermelho, também conhecido como PA, tem uma dureza comparável à do corindo branco (WA), mas com melhor tenacidade. Ao retificar aço de alta dureza com corindo, a eficiência é maior do que a do corindo branco. A durabilidade do rebolo e a rugosidade da superfície de esmerilhamento também são superiores, por isso a preferência pelo PA.

• Liga: o material que une os grãos de areia para formar um rebolo. Atualmente, o aglutinante de rebolo usado em retificadoras de engrenagens é predominantemente adesivo cerâmico (codificado como V); ele tem propriedades estáveis, resiste à água e ao calor sem degradação, adapta-se a vários tipos de retificação de refrigerante e é econômico.

• Dureza: Quanto mais duro for o rebolo, mais pobre será sua porosidade. Durante o esmerilhamento, os espaços entre os grãos do rebolo são rapidamente bloqueados por partículas de esmerilhamento. Juntamente com a falta de autoafiação dos rebolos duros, os grãos opacos não se desprendem facilmente, o que pode causar queimaduras entre o rebolo e a superfície da peça. Isso afeta a dissipação de calor e aumenta o calor da retificação, o que pode facilmente causar queimaduras e rachaduras. Rebolos mais macios se desgastam rapidamente e podem afetar diretamente a precisão da engrenagem se forem usados de forma inadequada. Portanto, o princípio para selecionar a dureza do rebolo é: escolha um rebolo mais duro para processar materiais macios e um rebolo mais macio para materiais duros. Ao retificar materiais duros e com baixo teor de carbono liga de açodeve ser escolhida uma roda K a J. (Comparação de modelos novos e antigos: K- medium soft 1, J- soft 3).

• Organização: A prioridade é dada aos rebolos com uma estrutura porosa geral. A organização dos rebolos de retificação é dividida principalmente em cinco classes.

• Tamanho do grão: Quanto menor o tamanho do grão, mais partículas de moagem participam da moagem por unidade de área e, consequentemente, a força de corte e o calor da moagem aumentam, o que pode facilmente levar ao desgaste. Para garantir a precisão da retificação da superfície da engrenagem, os tamanhos de grão comuns estão entre 46# e 60#. Para engrenagens com módulos menores, devem ser selecionados rebolos com granulometrias maiores, enquanto que, para módulos de engrenagens maiores, devem ser usados rebolos com granulometrias menores. (O tamanho do grão é representado por um número, quanto maior o número, menor o tamanho da partícula).

• Forma e tamanho: O modelo da máquina de retificação de engrenagens é Y7163A, usando um rebolo cônico duplo (código PSX1). Suas dimensões são Ф350×Ф127×32.

• A condição de afiação do diamante no dressador do rebolo não deve ser negligenciada. Devido ao embotamento da ponta do diamante, o rebolo fica sem brilho após o dressamento, o que leva a um aumento significativo do calor de retificação. Portanto, quando o diamante fica cego, ele deve ser afiado imediatamente para restaurar sua condição de trabalho afiada, o que é um pré-requisito e uma garantia para o dressamento adequado do rebolo.

• O líquido de arrefecimento desempenha um papel fundamental no processo de retificação e deve receber atenção suficiente. As máquinas de retificação de engrenagens operam com base no princípio de geração de retificação, em que o rebolo e a superfície do dente fazem contato pontual durante o processo de retificação. O calor resultante da retificação é levado pelo potente líquido de arrefecimento que flui sobre o rebolo e a superfície do dente. Esse método de esmerilhamento ajuda a evitar a formação de trincas de esmerilhamento, evita que o rebolo fique entupido e evita que a poeira de esmerilhamento se espalhe, resultando em bons efeitos ambientais. Portanto, o líquido de arrefecimento deve ser abundante e pulverizado diretamente na área de esmerilhamento com uma taxa de fluxo selecionada de 40 a 45 L/min e uma pressão de 0,8 a 1,2 Mpa. É essencial manter a pureza do líquido de arrefecimento, filtrá-lo durante a circulação e controlar sua temperatura, usando um radiador, se necessário. Deve-se prestar atenção especial para garantir que a taxa de fluxo e a força do líquido de arrefecimento pulverizado sejam suficientes. Qualquer alteração deve levar a uma inspeção do filtro da bomba de refrigerante para verificar se há algum bloqueio. A limpeza e a inspeção regulares do filtro também são necessárias.

IV. Medidas de processo para eliminar trincas de retificação em superfícies de engrenagens endurecidas

Quando aparecerem trincas de esmerilhamento nas superfícies endurecidas das engrenagens, as causas dessas trincas devem ser analisadas primeiro. Em seguida, com base nas condições de trabalho, os seguintes tratamentos devem ser aplicados:

1. Os efeitos e a aplicação do método de revenimento secundário

(1) Método de têmpera secundária

Ao estender adequadamente o tempo de revenimento para peças cementadas temperadas, aumentar a temperatura de revenimento e aumentar o número de revenimentos, é possível obter um revenimento suficiente para eliminar e reduzir as trincas de retificação. A abordagem específica é a seguinte:

• Depois de temperar a engrenagem a 180°C por não menos que 16 horas, pode ser feita a retificação ou raspagem da engrenagem antes da retificação. Em casos de rachaduras graves na retificação, podem ser realizadas duas têmperas de baixa temperatura.

• O envelhecimento em óleo quente entre 160℃ e 180℃ por 12 horas produz resultados ainda melhores.

Devido à simplicidade e à eficácia desses métodos, eles são comumente usados para prevenir e eliminar trincas de esmerilhamento.

(2) Os efeitos da têmpera suficiente são os seguintes:

• A têmpera suficiente reduz significativamente a sensibilidade de moagem de vários tipos de aço.

• A têmpera suficiente reduz a tensão microscópica.

• A têmpera suficiente permite que as microfissuras se soldem automaticamente.

• O revenimento suficiente leva a uma melhor eliminação da têmpera tensão residual.

(3) Métodos para identificar a têmpera adequada

• Para componentes temperados e revenidos que já foram processados, determinamos a adequação da têmpera observando a cor da superfície da peça temperada. Uma tonalidade dourada indica que a têmpera foi suficiente, enquanto uma cor amarelo-palha sugere que é necessária uma têmpera adicional.

• Para componentes temperados e revenidos que não foram processados, pode-se usar uma lixa para polir e clarear uma parte específica da superfície do componente até que ela apresente um brilho metálico. Em seguida, determinamos a adequação da têmpera observando a cor dessa superfície após a têmpera.

(4) Considerações durante o revenimento secundário

• Para minimizar ao máximo a distorção dos componentes, eles podem ser mantidos em uma temperatura de forno de 100 °C por 1 a 2 horas durante a têmpera, depois a temperatura é elevada para 180 °C e a têmpera é realizada por 14 a 15 horas.

• No caso de componentes temperados e revenidos que já tenham sido processados, deve ser fornecida proteção adequada durante a têmpera.

2. Método de escarificação para remoção de rachaduras

As superfícies dentárias rachadas são limpas por meio de escarificação com um liga dura cortador de rolos, seguido de esmerilhamento dos dentes. Esse método é usado principalmente quando:

• A espessura do dente tem uma margem suficiente.

• Geralmente é aplicado quando a profundidade da rachadura é relativamente pequena.

3. Método de esmerilhamento para remoção de trincas

Uma grave trinca de retificação ocorreu na retificação de uma grande engrenagem planetária, fornecendo um exemplo típico do método de remoção de trincas de retificação, conforme detalhado abaixo:

(1) Breve introdução à situação da engrenagem planetária grande com trincas graves na retificação:

• Parâmetros técnicos da engrenagem planetária grande: m=9z=66α=20°f=1, largura do dente=60

• Material e condição de tratamento térmico: 20CrMnTi com profundidade de cementação de 1,8～2,3, dureza de superfície HRC58～62

• Condição de deformação e margem de retificação: Após a têmpera por cementação, devido à deformação, o tamanho real após a expansão da linha normal é: 1,25 (mm). Margem de esmerilhamento: 0,65 (mm); quando aparecem rachaduras graves no esmerilhamento, a margem de esmerilhamento restante é de: 0,7 (mm).

• Estado atual da trinca de esmerilhamento: A trinca de desgaste mais grave tem 14 trincas paralelas no lado direito de um dente, distribuídas perpendicularmente ao longo da largura do dente na direção do desgaste. O comprimento da trinca é próximo à altura do dente, e quase todos os dentes têm trincas de esmerilhamento nas superfícies esquerda e direita. O número de trincas varia, com distribuição descontínua e irregular. A condição das rachaduras é extremamente grave.

(2) Implementar as seguintes medidas:

• Coloque as engrenagens com rachaduras graves de esmerilhamento em óleo quente a 180°C para um processo de envelhecimento de 12 horas.

• Substitua o rebolo: A dureza original do rebolo era de grau K, agora substituído pelo grau J.

• Devido ao uso prolongado da bomba de resfriamento sem um filtro instalado, o tanque de óleo de resfriamento foi severamente contaminado, com uma camada de 6 cm de espessura de sedimentos de moagem cobrindo todo o fundo do tanque. Portanto, limpe completamente o tanque de óleo de resfriamento e substitua-o por óleo novo, garantindo a qualidade e a eficácia do resfriamento.

• No processo de esmerilhamento para remover trincas de esmerilhamento, a alimentação é controlada em 0,025 (mm).

• No processo de esmerilhamento para remover trincas, o rebolo deve ser revestido a cada duas rotações completas para manter um estado de trabalho afiado durante a operação.

• Afie o diamante cego no dressador de rodas para restaurar sua nitidez.

• A frequência do conversor de CA é aumentada da configuração original de 33HZ para 45HZ para aumentar o número de cursos de deslizamento.

Com a implementação das medidas acima, todas as trincas graves de esmerilhamento foram eliminadas com sucesso.