40CrNi2Si2MoVA 鋼高精度軸類零件的機械加工方法

陳衛林，常星星，張書豪，王志安

安徽天航機電有限公司 安徽蕪湖 241000

1 序言

隨著國防科技的發展，大量難加工材料如雨后春筍般涌現出來，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生改變，材料內部晶粒突變，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量產生嚴重的影響，導致出現表面裂紋、尺寸不穩定等問題[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部缺陷探傷檢測。整體規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，但與導熱系數成反比。綜合可以發現，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（質量分數）（%）

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定毛坯結構尺寸的作用。預熱處理后的毛坯進行冷加工，采用硬質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定，工件淬火轉移時間應盡可能快，除另有規定外，淬火時間應控制在15s內，從而有效保證工件熱處理淬火后內部組織的穩定性與可控性。

工件淬火后材料的強度、硬度明顯提高，根據工件局部的表面質量與尺寸精度，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內對零件進行去應力回火，消除零件內部的殘余應力。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，根據材料磨削余量大小判斷是否執行酸浸蝕檢查，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

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9～31m/min，橫向進給量3～6mm/r。

5 結束語

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，保證產品的加工特性。分析并總結不同工序的加工特點及合適的加工參數，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范化操作。在整個工藝流程中，實現材料與熱處理及機械加工的高度契合，最終保證產品的精度和表面質量。