解决弹性支座氰化表面磨削裂纹的方法

黄梅

摘 要：磨削裂纹对飞机发动机涡轮关键支撑件——弹性支座来说是致命的缺陷，迫切需求解决弹性支座氰化表面磨削裂纹的方法。本文通过对弹性支座经氰化处理后，磨加工面产生针孔状和与磨削方向垂直的较规则排列的条形状裂纹的原因进行分析，提出采用干磨法、优化磨削参数、优化砂轮来防止裂纹产生的技术措施，并利用模拟实验证明技术措施的有效性。

关键词：机械加工工艺 干磨法 磨削裂纹 磨削热 冷却液 氰化处理

中图分类号：TGl62.71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0091-02

1 零件的材料、形状结构和特点

（1）零件的材料。其材料是合金结构钢12Cr2Ni4A，该材料强度高、韧性好。

（2）弹性支座是鼠龙式支座，从形状上来看是薄壁环形件，壁厚最薄为2mm，易变形（见图1）.

（3）零件外圆槽和内圆及内圆台阶面经氰化处理。氰化面的壁厚仅有2mm，氰化层厚度为0.4mm～0.9 mm，氰化面硬度为HRC≥60。

2 磨削裂纹产生原因的分析

产生磨削裂纹的原因很复杂，因素很多。如材料的物理性能、化学成分；毛坯带来的各种缺陷；淬火、氰化等热处理不当等，都会出现裂纹。本文所研究的问题，仅限于磨削过程带来的裂纹。

2.1 磨削应力及裂纹产生的过程

对于表面氰化处理的弹性支座，其表层硬度为HRC≥60，工件在磨削加工过程中，因磨削热很高，工件表面温度可高达800℃以上，产生残留应力，而残留应力主要是热变应力和相变应力[1]。

2.1.1 热变应力的形成过程

磨削过程由摩擦、挤压及切削过程组成，磨削过程中的摩擦和挤压剧烈时，它的能量绝大部分将转化为热能，传入到工件，大量的热能使磨削区域的温度急剧升高，而磨粒的切削刃与切削接触点的温度，瞬时值可达1000℃，表层及里层受热膨胀，体积大小因温度差不能同步，相互间的牵制作用形成了热变应力。对于弹性支座，这是磨削中残留应力的最主要部分。

2.1.2 相变应力的形成过程

磨削时表层温度若超过720℃左右的相变温度时，表层组织要发生相变、不同的金相组织，其体积大小是不同的，外层金相组织改变而内层不变，相互之间的牵制作用，形成相变应力[2]。

2.1.3 磨削时拉应力的形成过程

当磨削表层温度超过相变温度时，在温度剧升和相变的双重因素作用下，表层的体积向外膨胀，沿周边伸长，温度向内传递较慢，里层膨胀慢，阻碍外层膨胀，使外层在周边上不能伸长，造成外层的压应力，这时不会产生裂纹。

2.1.4 冷却液使用不当会导致裂纹的产生

磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。一般所采用的湿磨法，但是在弹性支座的磨削中，无论如何注入冷却液，冷却液都不可能在磨削的同时进入磨削面，因而无法降低磨削点位置的磨削热。

2.1.5 砂轮的选择不当会导致裂纹的产生

磨削该零件使用的是60粒度的棕刚玉砂轮，对于硬度为HRC≥60的表面，此砂轮的切削性差、自锐性不好、磨粒小、气孔小、易堵塞和发热，会增高了磨削温度，从而导致裂纹的产生。

2.2 表面氧化处理的影响

弹性支座在磨削加工过程中会产生残留应力，当零件在145℃温度下进行表面氧化处理时，零件上的应力得以释放，从而产生裂纹。

3 解决磨削裂纹的技术措施

从上述磨削裂纹产生的原因分析可知，磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键[1]。一般磨削是要求磨床具有较大压力和流量的冷却液装置，磨削时能将充分的冷却液送入磨削区域，进行高效的冷却，达到降低磨削区温度的目的。但普通内圆磨磨床不具有较大压力的冷却液装置，因此在磨削弹性支座时，无论如何都不能将冷却液在磨削的同时进入磨削面，因而根本不能降低磨削热，反而加剧了裂纹的产生。所以，突破惯性思维，提出用干磨法加工。

解决磨削裂纹问题具体技术措施如下：

（1）采用低应力磨削。选用砂轮的硬度偏软、粒度偏粗、磨削速度低、进给量小的方式磨削。选用适当的砂轮。根据砂轮选用硬度偏软、粒度偏粗的原则，将原使用的60粒度的棕刚玉砂轮，换成使用46粒度的白刚玉（氧化铝）砂轮。且白刚玉是一种适用于干式和湿式两种磨加工工艺的磨料。优化磨削参数。根据磨削参数的选择原则，选择较低的磨削速度和较小的进给量，故选择合适的工件转速。（2）勤修整砂轮。在磨削过程中必须及时修整砂轮，始终保持砂轮刃口的锋利性。因为锋利的刃口会减缓磨削过程中的摩擦和挤压，从而降低磨削区的温度。（3）观察工件温度。在磨加工过程中，使用红外测温仪随时监测零件温度，防止零件因过热而变形和烧伤。（4）改进工艺。在表面氧化处理之后增加磁粉探伤检查，及时发现零件在温度145℃左右的氧化处理时应力释放所产生的裂纹，确保最终零件没有裂纹。

4 技术措施的实施

初步确定上述的技术措施后，为了验证其实施效果，用两件在制品做对比试验。

先用一件做故障再现试验。磨加工时采用原来的湿磨法，操作者、砂轮和磨削参数完全与原来的一样，只是在磨削后、表面处理的前后增加磁粉探伤，以准确找出裂纹出现的时期。

采用干磨法和既定技术措施加工另一件，其加工过程是：（1）更换砂轮，选用白刚玉（氧化铝）46#粒度的砂轮；（2）磨削时不使用冷却液，采用干磨法加工；（3）在磨加工过程中，使用红外测温仪随时监测零件温度，防止零件因过热而变形和烧伤；（4）细化磨削参数，严格控制吃刀量在0.005mm以内，防止进刀量不均或太大而产生较大了磨削应力；（5）在磨削过程中，勤修正砂轮，保持砂轮锋利，以尽量减小切削热，以降低磨削应力；（6）改进工艺路线，在零件表面氧化处理后增加磁粉探伤检查，确保最终零件没有裂纹。

实验结果，按原方法加工的零件磁粉探伤检查，发现裂纹；而采用干磨法加工的零件，在磁粉探伤没有发现裂纹。再次采用干磨法加工六十余件，均未发现裂纹。由此证明，以上制定的技术措施切实有效，并将其纳入工艺规程中。

5 结语

磨削裂纹是因磨削热而产生的，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。传统的思维是利用充分冷却降低磨削热。而对于弹性支座的磨加工恰恰是冷却液导致零件产生的裂纹。本文突破惯性思维，提出干磨法，未出现裂纹，解决了氰化表面弹性支座的磨削裂纹问题。

参考文献

[1] 王先逵.机械制造工艺学[M].3版.北京：机械工業出版社，2013.

[2] 王世伦，王峙南，杨大灼，等.航空材料手册 第1卷 结构钢 不锈钢[M].2版.北京：中国标准出版社，2001.

[3] 蔡光起.磨削磨料加工技术的最新进展[J].航空制造技术，2003（4）：31-40.