解決彈性支座氰化表面磨削裂紋的方法

黃梅

摘 要：磨削裂紋對飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪關(guān)鍵支撐件——彈性支座來說是致命的缺陷，迫切需求解決彈性支座氰化表面磨削裂紋的方法。本文通過對彈性支座經(jīng)氰化處理后，磨加工面產(chǎn)生針孔狀和與磨削方向垂直的較規(guī)則排列的條形狀裂紋的原因進(jìn)行分析，提出采用干磨法、優(yōu)化磨削參數(shù)、優(yōu)化砂輪來防止裂紋產(chǎn)生的技術(shù)措施，并利用模擬實(shí)驗(yàn)證明技術(shù)措施的有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工工藝 干磨法 磨削裂紋 磨削熱 冷卻液 氰化處理

中圖分類號：TGl62.71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0091-02

1 零件的材料、形狀結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

（1）零件的材料。其材料是合金結(jié)構(gòu)鋼12Cr2Ni4A，該材料強(qiáng)度高、韌性好。

（2）彈性支座是鼠龍式支座，從形狀上來看是薄壁環(huán)形件，壁厚最薄為2mm，易變形（見圖1）.

（3）零件外圓槽和內(nèi)圓及內(nèi)圓臺階面經(jīng)氰化處理。氰化面的壁厚僅有2mm，氰化層厚度為0.4mm～0.9 mm，氰化面硬度為HRC≥60。

2 磨削裂紋產(chǎn)生原因的分析

產(chǎn)生磨削裂紋的原因很復(fù)雜，因素很多。如材料的物理性能、化學(xué)成分；毛坯帶來的各種缺陷；淬火、氰化等熱處理不當(dāng)?shù)龋紩?huì)出現(xiàn)裂紋。本文所研究的問題，僅限于磨削過程帶來的裂紋。

2.1 磨削應(yīng)力及裂紋產(chǎn)生的過程

對于表面氰化處理的彈性支座，其表層硬度為HRC≥60，工件在磨削加工過程中，因磨削熱很高，工件表面溫度可高達(dá)800℃以上，產(chǎn)生殘留應(yīng)力，而殘留應(yīng)力主要是熱變應(yīng)力和相變應(yīng)力[1]。

2.1.1 熱變應(yīng)力的形成過程

磨削過程由摩擦、擠壓及切削過程組成，磨削過程中的摩擦和擠壓劇烈時(shí)，它的能量絕大部分將轉(zhuǎn)化為熱能，傳入到工件，大量的熱能使磨削區(qū)域的溫度急劇升高，而磨粒的切削刃與切削接觸點(diǎn)的溫度，瞬時(shí)值可達(dá)1000℃，表層及里層受熱膨脹，體積大小因溫度差不能同步，相互間的牽制作用形成了熱變應(yīng)力。對于彈性支座，這是磨削中殘留應(yīng)力的最主要部分。

2.1.2 相變應(yīng)力的形成過程

磨削時(shí)表層溫度若超過720℃左右的相變溫度時(shí)，表層組織要發(fā)生相變、不同的金相組織，其體積大小是不同的，外層金相組織改變而內(nèi)層不變，相互之間的牽制作用，形成相變應(yīng)力[2]。

2.1.3 磨削時(shí)拉應(yīng)力的形成過程

當(dāng)磨削表層溫度超過相變溫度時(shí)，在溫度劇升和相變的雙重因素作用下，表層的體積向外膨脹，沿周邊伸長，溫度向內(nèi)傳遞較慢，里層膨脹慢，阻礙外層膨脹，使外層在周邊上不能伸長，造成外層的壓應(yīng)力，這時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

2.1.4 冷卻液使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生

磨削裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)槟ハ鳠崴?，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。一般所采用的濕磨法，但是在彈性支座的磨削中，無論如何注入冷卻液，冷卻液都不可能在磨削的同時(shí)進(jìn)入磨削面，因而無法降低磨削點(diǎn)位置的磨削熱。

2.1.5 砂輪的選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生

磨削該零件使用的是60粒度的棕剛玉砂輪，對于硬度為HRC≥60的表面，此砂輪的切削性差、自銳性不好、磨粒小、氣孔小、易堵塞和發(fā)熱，會(huì)增高了磨削溫度，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2.2 表面氧化處理的影響

彈性支座在磨削加工過程中會(huì)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，當(dāng)零件在145℃溫度下進(jìn)行表面氧化處理時(shí)，零件上的應(yīng)力得以釋放，從而產(chǎn)生裂紋。

3 解決磨削裂紋的技術(shù)措施

從上述磨削裂紋產(chǎn)生的原因分析可知，磨削裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)槟ハ鳠崴?，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵[1]。一般磨削是要求磨床具有較大壓力和流量的冷卻液裝置，磨削時(shí)能將充分的冷卻液送入磨削區(qū)域，進(jìn)行高效的冷卻，達(dá)到降低磨削區(qū)溫度的目的。但普通內(nèi)圓磨磨床不具有較大壓力的冷卻液裝置，因此在磨削彈性支座時(shí)，無論如何都不能將冷卻液在磨削的同時(shí)進(jìn)入磨削面，因而根本不能降低磨削熱，反而加劇了裂紋的產(chǎn)生。所以，突破慣性思維，提出用干磨法加工。

解決磨削裂紋問題具體技術(shù)措施如下：

（1）采用低應(yīng)力磨削。選用砂輪的硬度偏軟、粒度偏粗、磨削速度低、進(jìn)給量小的方式磨削。選用適當(dāng)?shù)纳拜?。根?jù)砂輪選用硬度偏軟、粒度偏粗的原則，將原使用的60粒度的棕剛玉砂輪，換成使用46粒度的白剛玉（氧化鋁）砂輪。且白剛玉是一種適用于干式和濕式兩種磨加工工藝的磨料。優(yōu)化磨削參數(shù)。根據(jù)磨削參數(shù)的選擇原則，選擇較低的磨削速度和較小的進(jìn)給量，故選擇合適的工件轉(zhuǎn)速。（2）勤修整砂輪。在磨削過程中必須及時(shí)修整砂輪，始終保持砂輪刃口的鋒利性。因?yàn)殇h利的刃口會(huì)減緩磨削過程中的摩擦和擠壓，從而降低磨削區(qū)的溫度。（3）觀察工件溫度。在磨加工過程中，使用紅外測溫儀隨時(shí)監(jiān)測零件溫度，防止零件因過熱而變形和燒傷。（4）改進(jìn)工藝。在表面氧化處理之后增加磁粉探傷檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件在溫度145℃左右的氧化處理時(shí)應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的裂紋，確保最終零件沒有裂紋。

4 技術(shù)措施的實(shí)施

初步確定上述的技術(shù)措施后，為了驗(yàn)證其實(shí)施效果，用兩件在制品做對比試驗(yàn)。

先用一件做故障再現(xiàn)試驗(yàn)。磨加工時(shí)采用原來的濕磨法，操作者、砂輪和磨削參數(shù)完全與原來的一樣，只是在磨削后、表面處理的前后增加磁粉探傷，以準(zhǔn)確找出裂紋出現(xiàn)的時(shí)期。

采用干磨法和既定技術(shù)措施加工另一件，其加工過程是：（1）更換砂輪，選用白剛玉（氧化鋁）46#粒度的砂輪；（2）磨削時(shí)不使用冷卻液，采用干磨法加工；（3）在磨加工過程中，使用紅外測溫儀隨時(shí)監(jiān)測零件溫度，防止零件因過熱而變形和燒傷；（4）細(xì)化磨削參數(shù)，嚴(yán)格控制吃刀量在0.005mm以內(nèi)，防止進(jìn)刀量不均或太大而產(chǎn)生較大了磨削應(yīng)力；（5）在磨削過程中，勤修正砂輪，保持砂輪鋒利，以盡量減小切削熱，以降低磨削應(yīng)力；（6）改進(jìn)工藝路線，在零件表面氧化處理后增加磁粉探傷檢查，確保最終零件沒有裂紋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按原方法加工的零件磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋；而采用干磨法加工的零件，在磁粉探傷沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。再次采用干磨法加工六十余件，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。由此證明，以上制定的技術(shù)措施切實(shí)有效，并將其納入工藝規(guī)程中。

5 結(jié)語

磨削裂紋是因磨削熱而產(chǎn)生的，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的思維是利用充分冷卻降低磨削熱。而對于彈性支座的磨加工恰恰是冷卻液導(dǎo)致零件產(chǎn)生的裂紋。本文突破慣性思維，提出干磨法，未出現(xiàn)裂紋，解決了氰化表面彈性支座的磨削裂紋問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] 王世倫，王峙南，楊大灼，等.航空材料手冊 第1卷 結(jié)構(gòu)鋼 不銹鋼[M].2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3] 蔡光起.磨削磨料加工技術(shù)的最新進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2003（4）：31-40.