以40CrNi2Si2MoVA鋼高精度軸類零件加工為例，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。先采用正火與高溫回火改善材料的機械加工性能，再采用硬質(zhì)合金刀具在推薦的加工參數(shù)下進行開粗與半精加工，降低刀具磨損。半成品后采用高溫淬火提高材料的強度和剛度，同時選擇磨削加工保證產(chǎn)品精度及表面質(zhì)量，附加酸浸蝕檢查及磁粉檢測材料表面缺陷。磨削后進行去應力回火處理，去除磨削所導致的殘余應力。整個工藝流程中，材料與機械加工高度契合，保證產(chǎn)品的高強度、高硬度、高精度和高表面質(zhì)量特性。
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)低合金超高強度鋼逐漸被推向前沿[1，2]，國內(nèi)外學者紛紛投入到該項課題研究中[3-5]。由于材料合金含量低，導致切削時散熱性差，容易積聚高溫與較大的殘余應力。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特性，同時高溫切屑瘤堆積附著在刀具切削刃上，加劇刀具的磨損，對刀具壽命有著不可逆的危害；加工中較大的殘余應力可能對加工表面質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的影響，導致出現(xiàn)表面裂紋、尺寸不穩(wěn)定等問題[6-9]。
本文對航空航天中40CrNi2Si2MoVA鋼高精度軸類件的加工工藝進行整體研究，針對目前加工中存在的切削力大、刀具磨損嚴重和零件尺寸精度低等問題，根據(jù)材料的加工特性實時選擇適合的工序，將冷加工、熱處理、探傷及磨削加工進行合理化安排，避免加工時由于材料強度高而出現(xiàn)難加工狀況，同時加工中的清洗與涂油可有效保護零件表面質(zhì)量。為進一步確保零件表面的完整性，將加工后的零件進行內(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，同時還可以保證零件在航空航天中高精度、高強度的使用要求。
2 材料性能
40CrNi2Si2MoVA低合金超高強度鋼的化學成分見表1，Cr、Mn、Ni和Si的含量占比較大，對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度與抗拉強度，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度與硬度，但與導熱系數(shù)成反比。綜合可以發(fā)現(xiàn)，材料高強度、高硬度使得加工性能較差，加工時材料易硬化。
表1 40CrNi2Si2MoVA鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）
40CrNi2Si2MoVA低合金超高強度鋼的力學性能見表2，超高的抗拉強度與屈服強度保證材料的高強度、高硬度特性。該材料加工需要較大的機械切削力，由于材料導熱系數(shù)低，因此高切削力、低導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，同時積聚的熱量加快刀具刃口的磨損，這些不利因素導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致刀具磨損嚴重與加工表面精度低，在加工時將通過冷加工、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+高溫回火的方式對毛坯進行預熱處理，達到細化材料表面晶粒、提高材料切削加工性及穩(wěn)定毛坯結(jié)構(gòu)尺寸的作用。預熱處理后的毛坯進行冷加工，采用硬質(zhì)合金刀具進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)工件的力學性能需進行等溫淬火，以達到材料高強度、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)移時間應盡可能快，除另有規(guī)定外，淬火時間應控制在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，選擇磨削方式進行加工，磨削時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)對零件進行去應力回火，消除零件內(nèi)部的殘余應力。由于材料的高硬度、高強度特性，磨削加工可能會對零件內(nèi)部造成微觀損傷，需對零件進行磁粉探傷，采用磁粉探傷中的濕連續(xù)法對材料表面或近表面的缺陷進行檢測。在磁粉探傷時，根據(jù)材料磨削余量大小判斷是否執(zhí)行酸浸蝕檢查，當材料磨削余量不超過0.0127m時，工件磨削后直接進行磁粉探傷，否則需先進行酸浸蝕檢查后再進行磁粉檢測。
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，對加工用的刀具具有保護作用，使得加工效率顯著提高，同時可以釋放材料加工時的內(nèi)部殘余應力，防止應力釋放導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℃，并保持一定時間，然后空冷或在氣氛中冷至室溫。
零件精加工磨削后去應力回火，應在6h內(nèi)進行（190±10）℃保溫≥4h。嚴格控制時間間隔，校正應采用靜負荷，嚴禁對淬火零件進行敲擊。
4.2 冷加工
對正火+高溫回火后的零件進行機械冷加工，機床應當有足夠的剛性，并有足夠的功率和冷卻裝置，工具的安裝剛度應盡可能大，并且在使用時應無振動。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°，粗車時切削速度24.4~40m/min，進給量0.1~0.5mm/r，切削深度0.38~3.0mm；精車時切削速度24.4~40m/min，進給量0.1~0.15mm/r，切削深度0.2~0.38mm。同時銑槽口與凸臺時，推薦采用硬質(zhì)合金刀具，以正前角、切削方向為順銑、切削速度9.1~15.2m/min、精銑進給量0.05~0.1mm/z及切削深度最大為5mm的方式進行加工。
整個加工過程中，每種工序加工完成后需及時涂脫水防銹油，防止因零件表面附著切削液而導致表面銹蝕。
4.3 磨削加工
磨削加工時，砂輪應有足夠的剛性，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，零件需由切削液進行充分冷卻，推薦砂輪粒度46#~80#，砂輪速度15~35m/s，工件速度9~3131m/min，橫向進給量3~6mm/r。
5 結(jié)束語
本文以40CrNi2Si2MoVA高精度軸類零件為例進行工藝研究，針對加工中存在的切削力大、刀具磨損嚴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40CrNi2Si2MoVA低合金超高強度鋼進行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，整個工藝流程材料與機械加工高度契合，保證了40CrNi2Si2MoVA鋼軸類零件的高強度、高硬度、高精度和高表面質(zhì)量特性。
專家點評
本例中的40CrNi2Si2MoVA低合金超高強度鋼，切削散熱性差，容易積聚高溫與較大的殘余應力，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行工藝研究，針對加工中存在的切削力大、刀具磨損嚴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，降低刀具磨損并提高加工精度。
文章的亮點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。在整個工藝流程中，實現(xiàn)材料與熱處理及機械加工的高度契合，最終保證產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量。
