40CrNi2Si2MoVA 鋼高精度軸類零件的機(jī)械加工方法

陳衛(wèi)林，常星星，張書豪，王志安

安徽天航機(jī)電有限公司 安徽蕪湖 241000

1 序言

隨著國防科技的發(fā)展，大量難加工材料如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，其中40CrNi2Si2MoVA（300M）低合金超高強(qiáng)度鋼逐漸被推向前沿[1，2]，國內(nèi)外學(xué)者紛紛投入到該項(xiàng)課題研究中[3-5]。由于材料合金含量低，導(dǎo)致切削時(shí)散熱性差，容易積聚高溫與較大的殘余應(yīng)力。高溫使得零件表面的金相組織發(fā)生改變，材料內(nèi)部晶粒突變，無法保證材料的力學(xué)特性，同時(shí)高溫切屑瘤堆積附著在刀具切削刃上，加劇刀具的磨損，對(duì)刀具壽命有著不可逆的危害；加工中較大的殘余應(yīng)力可能對(duì)加工表面質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)表面裂紋、尺寸不穩(wěn)定等問題[6-9]。

本文對(duì)航空航天中40CrNi2Si2MoVA鋼高精度軸類件的加工工藝進(jìn)行整體研究，針對(duì)目前加工中存在的切削力大、刀具磨損嚴(yán)重和零件尺寸精度低等問題，根據(jù)材料的加工特性實(shí)時(shí)選擇適合的工序，將冷加工、熱處理、探傷及磨削加工進(jìn)行合理化安排，避免加工時(shí)由于材料強(qiáng)度高而出現(xiàn)難加工狀況，同時(shí)加工中的清洗與涂油可有效保護(hù)零件表面質(zhì)量。為進(jìn)一步確保零件表面的完整性，將加工后的零件進(jìn)行內(nèi)部缺陷探傷檢測。整體規(guī)范化操作不僅可以有效減少加工中刀具的磨損，同時(shí)還可以保證零件在航空航天中高精度、高強(qiáng)度的使用要求。

2 材料性能

40CrNi2Si2MoVA低合金超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分見表1，Cr、Mn、Ni和Si的含量占比較大，對(duì)材料加工性能的改善有著重要作用，其中Cr元素含量與鋼的淬硬性成正比，Si元素可改善鋼的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，Mn元素可提高鋼的熱加工性能，Ni元素雖可以提高材料的整體強(qiáng)度與硬度，但與導(dǎo)熱系數(shù)成反比。綜合可以發(fā)現(xiàn)，材料高強(qiáng)度、高硬度使得加工性能較差，加工時(shí)材料易硬化。

表1 40CrNi2Si2MoVA鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

40CrNi2Si2MoVA低合金超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能見表2，超高的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度保證材料的高強(qiáng)度、高硬度特性。該材料加工需要較大的機(jī)械切削力，由于材料導(dǎo)熱系數(shù)低，因此高切削力、低導(dǎo)熱性能使得零件表面加工硬化，不僅增大了切削難度，而且降低了加工表面質(zhì)量，同時(shí)積聚的熱量加快刀具刃口的磨損，這些不利因素導(dǎo)致該材料成為航空制造業(yè)中難加工材料的典型代表。

表2 40CrNi2Si2MoVA鋼的力學(xué)性能

3 工藝路線

40CrNi2Si2MoVA鋼高精度軸類零件的加工，為避免材料難加工而導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重與加工表面精度低，在加工時(shí)將通過冷加工、熱處理、探傷及磨削方式的合理安排，有效提高零件的加工效率與尺寸精度。工藝路線如圖1所示，零件如圖2所示。

圖1 工藝路線

圖2 零件

首先根據(jù)40CrNi2Si2MoVA鋼高精度軸類零件的外形尺寸進(jìn)行下料，由于材料自身的難切削性，因此采用正火+高溫回火的方式對(duì)毛坯進(jìn)行預(yù)熱處理，達(dá)到細(xì)化材料表面晶粒、提高材料切削加工性及穩(wěn)定毛坯結(jié)構(gòu)尺寸的作用。預(yù)熱處理后的毛坯進(jìn)行冷加工，采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行工件的車削與銑削，附加噴頭式冷卻裝置，將加工過程中的工件充分冷卻，防止熱量積聚燒傷零件表面層。工件冷加工開粗與半精加工后，根據(jù)工件的力學(xué)性能需進(jìn)行等溫淬火，以達(dá)到材料高強(qiáng)度、高硬度的特性，為保證熱處理材料性能穩(wěn)定，工件淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)盡可能快，除另有規(guī)定外，淬火時(shí)間應(yīng)控制在15s內(nèi)，從而有效保證工件熱處理淬火后內(nèi)部組織的穩(wěn)定性與可控性。

工件淬火后材料的強(qiáng)度、硬度明顯提高，根據(jù)工件局部的表面質(zhì)量與尺寸精度，選擇磨削方式進(jìn)行加工，磨削時(shí)切削液需充分冷卻工件，避免干磨灼傷工件。磨削精加工完成后，在4h內(nèi)對(duì)零件進(jìn)行去應(yīng)力回火，消除零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。由于材料的高硬度、高強(qiáng)度特性，磨削加工可能會(huì)對(duì)零件內(nèi)部造成微觀損傷，需對(duì)零件進(jìn)行磁粉探傷，采用磁粉探傷中的濕連續(xù)法對(duì)材料表面或近表面的缺陷進(jìn)行檢測。在磁粉探傷時(shí)，根據(jù)材料磨削余量大小判斷是否執(zhí)行酸浸蝕檢查，當(dāng)材料磨削余量不超過0.0127m時(shí)，工件磨削后直接進(jìn)行磁粉探傷，否則需先進(jìn)行酸浸蝕檢查后再進(jìn)行磁粉檢測。

4 工藝參數(shù)

4.1 熱處理

熱處理可以有效改善材料的切削性能，使原本難加工的材料變得容易加工，對(duì)加工用的刀具具有保護(hù)作用，使得加工效率顯著提高，同時(shí)可以釋放材料加工時(shí)的內(nèi)部殘余應(yīng)力，防止應(yīng)力釋放導(dǎo)致尺寸變形而使得零件的精度無法保證。

本文中毛坯采用正火+高溫回火處理，回火溫度不得超過650℃，并保持一定時(shí)間，然后空冷或在氣氛中冷至室溫。

零件精加工磨削后去應(yīng)力回火，應(yīng)在6h內(nèi)進(jìn)行（190±10）℃保溫≥4h。嚴(yán)格控制時(shí)間間隔，校正應(yīng)采用靜負(fù)荷，嚴(yán)禁對(duì)淬火零件進(jìn)行敲擊。

4.2 冷加工

對(duì)正火+高溫回火后的零件進(jìn)行機(jī)械冷加工，機(jī)床應(yīng)當(dāng)有足夠的剛性，并有足夠的功率和冷卻裝置，工具的安裝剛度應(yīng)盡可能大，并且在使用時(shí)應(yīng)無振動(dòng)。在加工過程中，要保證零件表面不能有劃傷，建議采用硬質(zhì)合金刀具，刀尖半徑0.4～1.6mm，主偏角45°～100°，粗車時(shí)切削速度24.4～40m/min，進(jìn)給量0.1～0.5mm/r，切削深度0.38～3.0mm；精車時(shí)切削速度24.4～40m/min，進(jìn)給量0.1～0.15mm/r，切削深度0.2～0.38mm。同時(shí)銑槽口與凸臺(tái)時(shí)，推薦采用硬質(zhì)合金刀具，以正前角、切削方向?yàn)轫樸姟⑶邢魉俣?.1～15.2m/min、精銑進(jìn)給量0.05～0.1mm/z及切削深度最大為5mm的方式進(jìn)行加工。

整個(gè)加工過程中，每種工序加工完成后需及時(shí)涂脫水防銹油，防止因零件表面附著切削液而導(dǎo)致表面銹蝕。

4.3 磨削加工

磨削加工時(shí)，砂輪應(yīng)有足夠的剛性，砂輪表面磨粒之間的空隙使砂輪鋒利，不允許干磨，從而減小表面損傷。在磨削時(shí)，零件需由切削液進(jìn)行充分冷卻，推薦砂輪粒度46#～80#，砂輪速度15～35m/s，工件速度9～31m/min，橫向進(jìn)給量3～6mm/r。

5 結(jié)束語

本文以40CrNi2Si2MoVA高精度軸類零件為例進(jìn)行工藝研究，針對(duì)加工中存在的切削力大、刀具磨損嚴(yán)重及尺寸精度低等問題，通過熱處理、冷加工、磨削和探傷等工序的合理安排，保證產(chǎn)品的加工特性。分析并總結(jié)不同工序的加工特點(diǎn)及合適的加工參數(shù)，整體工藝滿足航空零部件加工要求。在各工序安排方面得出以下結(jié)論。

1）對(duì)40CrNi2Si2MoVA低合金超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行3次熱處理，可有效避免材料的難加工特性，既可保證加工尺寸精度，又可降低刀具損耗，提高加工效率。

2）通過熱處理、冷加工、磨削、探傷與酸浸蝕檢查等工序的合理安排，整個(gè)工藝流程材料與機(jī)械加工高度契合，保證了40CrNi2Si2MoVA鋼軸類零件的高強(qiáng)度、高硬度、高精度和高表面質(zhì)量特性。

專家點(diǎn)評(píng)

本例中的40CrNi2Si2MoVA低合金超高強(qiáng)度鋼，切削散熱性差，容易積聚高溫與較大的殘余應(yīng)力，加快刀具磨損并造成零件出現(xiàn)表面裂紋。以高精度軸類零件為例進(jìn)行工藝研究，針對(duì)加工中存在的切削力大、刀具磨損嚴(yán)重和尺寸精度低等問題，根據(jù)材料的加工特性選擇合適的加工方法，正確安排冷加工、熱處理、探傷及磨削工序，通過整體工藝改進(jìn)，降低刀具磨損并提高加工精度。

文章的亮點(diǎn)是難加工材料軸類零件的工藝路線安排和整體規(guī)范化操作。在整個(gè)工藝流程中，實(shí)現(xiàn)材料與熱處理及機(jī)械加工的高度契合，最終保證產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量。