40CrNiMoA材料经过渗氮处理后，由于渗氮表面脆性大，在后续加工过程中容易产生磨削裂纹，进而出现产品质量问题。
基于此，以材质为40CrNiMoA的某轴类零件为例，分析磨削裂纹产生的原因，并提出改进加工设备、优化冷却方式、控制加工参数以及调整工艺路线等优化和改进措施。
经过批生产验证，优化后的磨削工艺方案能够使产品合格率提升至95%。
为提高零件的抗磨损能力，延长其使用寿命，通常在零件作用表面进行渗氮处理，但零件在后续加工过程中易出现磨削裂纹。
目前，针对40CrNiMoA材料渗氮表面磨削裂纹问题的研究主要集中在刀具几何参数的影响、切削热传导理论等方面，对于工艺方案的研究较少。
基于此，以某轴类零件为研究对象，提出车、磨结合的加工方案，代替传统磨削加工工艺，实现产品合格率的提升。
产品结构特点及磨削工艺
结构特点：某轴类零件材质为40CrNiMoA，结构如图1所示， 内孔有多处台阶面结构。
对磨削K处内端面进行渗氮处理后，使用传统的磨削加工方案进行加工。
在磨削过程中，由于温度升高，表层膨胀，但40CrNiMoA材料的导热性较差，导致表层的热膨胀受到温度较低的里层的阻碍，产生了热压缩应力。温度越高，热压缩应力就越大。
如果砂轮较钝、磨削量较大或冷却不充分，会造成温度过高，一旦超过材料弹性变形范围，会产生热塑性变形。
磨削结束后，表层冷却收缩，当温度下降到弹性范围内时，因受到里层的阻碍而产生较大的残余应力。
在挤压和冲击的复合作用下，零件渗氮表面极易出现磨削裂纹。
磨削工艺：该零件采用传统工艺进行磨削加工，合格率不稳 定、生产效率低。
其加工工序如下：毛料→粗车→消除应力→半精车→渗氮→精车→粗磨端面及内孔→消除应力→精磨端面及内孔→磁粉探伤→检验。
图 1 某轴类零件结构
裂纹分析
裂纹性质分析：对报废零件的裂纹特征进行系统性分析，具体检测流程如下。
采用磁粉探伤法对零件端面进行检测，以观察裂纹分布特征。经检测，裂纹沿内圆径向均匀分布于端面，呈规律性排列，如图2所示。
使用电子显微镜观察裂纹的表面形貌并测量其尺寸。经测量，裂纹长度为0.7～1.2mm，开口狭窄，与机械加工方向近似垂直，表明裂纹扩展受外部应力主导。
制备磨削截面试样，利用光学显微镜测量裂纹深度，观察裂纹扩展方向，并检查冶金缺陷。
裂纹深度为0.1～0.2mm，垂直表面扩展，未发现夹杂物、气孔等冶金缺陷，初步排除原材料缺陷的可能性。
使用5%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，分析裂纹两侧脱碳现象。
经过测试，裂纹两侧未出现脱碳现象(见图3)，表明裂纹形成于热处理工艺完成后，与热处理无关。
通过高倍显微镜观察裂纹沿晶界的扩展路径，并显微放大端面表层，量化加工变形层厚度。
经过观察发现，裂纹沿晶界扩展(见图4)，表面有0.5μm的加工变形层，说明表层存在高残余应力。
图2 裂纹表面形貌
图3 裂纹腐蚀态形貌
图4 裂纹形貌放大
通过光学显微镜观察基体显微组织的均匀性，发现基体显微组织均匀无异常，如图5所示。
然后对渗氮层和基体进行能谱分析，以验证材料一致性。渗氮层与基体能谱成分基本一致(如图6所示)，符合设计要求，排除成分偏析或渗氮异常导致的失效。
裂纹呈浅层分布(深度≤0.2mm)，且完全位于渗氮层内，与磨削加工影响深度相符。
裂纹垂直加工方向，无脱碳及冶金缺陷的特征，排除原材料缺陷、热处理或服役载荷导致开裂的可能性。
综合表面变形层与晶界扩展现象，判定裂纹源于磨削过程中产生的局部拉应力超过材料断裂强度后所引发的沿晶开裂。
图5 基体微观组织
图6 能谱分析结果
裂纹产生的主要原因分析:渗氮后的表面硬度较高，HR30N通常在65及以上。
零件磨削采用外圆纵磨与外圆横向切入磨削相结合的方式，磨削砂轮采用平形砂轮，磨料使用氧化物系的单晶刚玉。
单晶刚玉具有较高的硬度和韧性，在磨削硬度较高的零件时，砂粒不易脱落，但会积聚大量热量。
这就导致磨削加工时，磨粒处温度在1000℃左右，磨削区温度在几百摄氏度，再加上磨床冷却系统的冷却液不能完全浇注在加工表面，造成零件磨削区的热量不易散去，零件局部热应力集中，进而使零件表面烧伤和产生裂纹。
加工零件时，不能很好地控制进刀量，进刀量忽大忽小，容易导致磨削后的零件出现裂纹，且不可修复。
工件加工时的环境温度也会对磨削裂纹产生影响。加工环境为非恒温状态且温度较低时，由于零件与环境温度相差较大，工件表面更容易发生冷脆现象。
综上所述，传统的磨加工方法无法解决渗氮表面磨削裂纹的问题，必须优化加工方法，改进加工设备、走刀路径、工艺路线等，才能减少裂纹、提升产品合格率。
渗氮表面磨削工艺优化
优化加工设备:首先，在保证磨削表面光洁度、砂轮韧性、脱落 不严重的前提下，应尽量选择组织较为疏松、粒度略粗的砂轮。
这样的砂轮在磨削时能够带走大量磨削热和铁屑，从而降低磨削热应力。白刚玉砂轮的硬度虽然没有单晶砂轮高，但脆性更好，适合用于磨削淬火钢。
该零件内端面经过渗氮淬火后硬度较高，使用白刚玉砂轮进行磨削更为适合。
其次，修磨砂轮时应考虑将砂轮底部修出一定角度，使砂轮工作面与零件的 接触为线接触，从而降低摩擦产生的热应力。
最后，应调整磨床的冷却系统。原冷却系统的冷却液只能从砂轮后部向零件处浇注，无法完全浇注在加工表面，导致冷却效果较差。
为此，在卡盘端增加内部冷却液浇注装置，如图7所示，使砂轮两侧均有冷却液浇注，更好地降低磨削区域的温度。
图 7 改进冷却装置
采用数控加工方式:原有工艺为操作者手动进刀加工，进刀量控制较为随意，缺少确切的标准，而且走刀路径为Z向进给，会使磨削表面产生大量热应力，导致磨削后的零件出现裂纹。
为解决此问题，改用数控加工方式，采用沿X向由内向外的方向进行磨削，每次进刀量为0.002mm，有效减少了人为干预，提高了加工的一致性，如图8所示。
为进一步保证加工稳定性，固化了加工参数，将零件转数设为 200r·min-1，进刀量设为0.005mm·s-1，并且要求每磨削3个零件就必须修磨一次砂轮。
优化工艺路线:在优化工艺路径时，查询相关文献发现渗氮表面较内层更易产生磨削裂纹，因此采用先车后磨的工艺路线来避免渗氮表面产生磨削裂纹。
调整后的加工工序如下：毛料→粗车→消除应力→半精车→渗氮→精车→粗磨内孔→消除应力→车内端面→精磨端面→消除应力→精磨内孔→磁粉探伤→检验。
试验发现，经过车加工后，内孔端面虽然不会产生裂纹，但粗糙度Ra达不到0.4μm的要求，因此安排车加工后端面留出 0.02mm的余量，然后精磨端面，以达到设计要求。通过批量加工验证，产品合格率达到95%。
图8 改进走刀路径
结 语
以某轴类零件为研究对象，从材料性能、加工工艺等方面分析零件渗氮表面产生磨削裂纹的原因。
然后通过一系列优化和改进措施，解决磨削裂纹问题，使加工质量稳定可靠，满足设计要求。
通过优化磨床冷却系统，零件在加工过程中能够充分冷却，从而消除端面烧蚀现象，大大降低了渗氮表面产生磨削裂纹的可能性。
在磨削加工前增加车加工内端面的工序，可以有效解决渗氮表面因脆性大而容易产生磨削裂纹的问题。
参考文献：略。
来源：航空精密制造技术