孫國(guó)雁，崔洋，趙軍，劉佳

沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

超高強(qiáng)度鋼于20世紀(jì)40年代在普通合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，一般認(rèn)為屈服強(qiáng)度大于1380MPa或抗拉強(qiáng)度高于1470MPa，同時(shí)兼具適當(dāng)韌性的鋼為超高強(qiáng)度鋼[1]。超高強(qiáng)度鋼材料具有高強(qiáng)度、高斷裂韌性、高抗拉強(qiáng)度及高抗應(yīng)力腐蝕等卓越的材料特性，國(guó)外已將其作為重要材料廣泛應(yīng)用于航空主要承力結(jié)構(gòu)件中[2]。

在我國(guó)航空零件制造領(lǐng)域，超高強(qiáng)度鋼材料已得到較為普遍的應(yīng)用，特別是飛機(jī)的承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，而解決熱處理變形是目前該類(lèi)材料零件加工面臨的主要問(wèn)題。本文以某高強(qiáng)度承力梁零件為研究對(duì)象，提出了交叉學(xué)科相互補(bǔ)償(即先熱處理再精加工)的研究方案，試驗(yàn)總結(jié)了熱處理變形規(guī)律，制定多區(qū)域獨(dú)立預(yù)留余量方案，攻克熱處理變形超差難題，為該材料零件數(shù)控加工提供技術(shù)支持和儲(chǔ)備。

2 熱處理變形研究

2.1 高強(qiáng)度承力梁

某高強(qiáng)度承力梁一端與壁板連接，另一端與支撐結(jié)構(gòu)連接，是主要承力構(gòu)件之一，毛坯為鍛件。零件尺寸長(zhǎng)向超過(guò)3m，零件腹板和筋條厚度不均勻漸變，最薄2.2mm，長(zhǎng)度方向上中間部位有精密連接孔凸臺(tái)，高薄筋條結(jié)構(gòu)多，凸臺(tái)周?chē)休椛錉钸B接筋條。零件整體呈非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，屬于薄壁、細(xì)長(zhǎng)梁類(lèi)結(jié)構(gòu)零件。

某高強(qiáng)度承力梁較為突出的特點(diǎn)為非對(duì)稱(chēng)、變截面及異形結(jié)構(gòu)。不同區(qū)域的材料去除量不等，勢(shì)必導(dǎo)致機(jī)加后應(yīng)力釋放不均，并會(huì)對(duì)后續(xù)強(qiáng)化熱處理變形產(chǎn)生影響，典型區(qū)域三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2 淬火前機(jī)加工狀態(tài)

零件設(shè)置工藝凸臺(tái)是一種降低機(jī)加工應(yīng)力對(duì)熱處理變形影響的有效方法[3]。在裝夾方面，采取預(yù)留工藝凸臺(tái)的方式可以增強(qiáng)零件加工過(guò)程中的剛性。承力梁零件在加工過(guò)程中需要在開(kāi)敞型槽腔腹板邊緣設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝凸臺(tái)來(lái)補(bǔ)強(qiáng)局部剛性，從而保證加工質(zhì)量。工藝凸臺(tái)的設(shè)置既能滿(mǎn)足快速裝夾，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有部位加工，又能滿(mǎn)足在加工上下翼面時(shí)定位可靠，基準(zhǔn)一致。在機(jī)加工方面，采用快進(jìn)刀片淺切的加工方式能夠有效減少零件變形[4]。承力梁零件在粗加工階段采用了淺切快進(jìn)給的切削策略，最大程度降低切削力，減小零件變形；精加工則采用小直徑刀具多次分層切削的加工方法，以減小切削力。具體切削參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某高強(qiáng)度承力梁淬火前部分切削參數(shù)

零件粗、精加工各翻面一次，充分釋放內(nèi)應(yīng)力，以保證精加工尺寸要求。必要時(shí)，可以增加去應(yīng)力退火工序，降低零件內(nèi)部殘余應(yīng)力。總體制造工藝流程如圖2所示。

圖2 高強(qiáng)度承力梁工藝流程

同樣為研究強(qiáng)化熱處理后的材料變形趨勢(shì)，為后續(xù)更有針對(duì)性地采取工藝控制措施奠定基礎(chǔ)，在進(jìn)行淬火加高溫回火的調(diào)質(zhì)處理之前，零件各表面均已加工到位。

根據(jù)實(shí)際加工情況，關(guān)鍵尺寸測(cè)量值見(jiàn)表2。腹板平面度為0.2，筋條位置在±0.1之間，符合容差原則。經(jīng)測(cè)量?jī)x測(cè)量的零件外形均在允許容差范圍內(nèi)，因此，零件加工后所有部分均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 關(guān)鍵尺寸測(cè)量結(jié)果

2.3 淬火后試件變形

(1)變形過(guò)程記錄

在本次研究中，對(duì)機(jī)加工后的高強(qiáng)度承力梁進(jìn)行淬火及高溫回火的調(diào)質(zhì)處理。由于前期熱處理后零件整體發(fā)生“弓形”變形，因此后續(xù)設(shè)計(jì)了熱處理工裝(見(jiàn)圖3)。

圖3 高強(qiáng)度承力梁強(qiáng)化熱處理裝置

機(jī)加工后的高強(qiáng)度承力梁淬火熱處理情況見(jiàn)圖4。經(jīng)測(cè)量，淬火加高溫回火后零件整體“伸長(zhǎng)”，總體伸長(zhǎng)量約為6.5mm，一端伸長(zhǎng)4.26mm。以20軸線(xiàn)為基準(zhǔn)，零件逐漸分別向兩側(cè)有不同程度的偏移，導(dǎo)致孔位及筋條位置均有不同程度的竄動(dòng)。具體偏移量見(jiàn)表3。其余結(jié)構(gòu)方面，高強(qiáng)度承力梁淬火變形量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖4 熱處理后零件變形(伸長(zhǎng))

表3 零件變形(伸長(zhǎng))測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)梁變形情況統(tǒng)計(jì)

高強(qiáng)度承力梁筋條貼合面位置公差要求不大于0.5mm。但目前零件所有筋條均發(fā)生不同程度的逆航向偏移，可以看出，22軸線(xiàn)位置筋條偏移量最大(約為3mm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許范圍，導(dǎo)致裝配過(guò)程中多處出現(xiàn)干涉問(wèn)題。

(2)變形結(jié)論分析

通過(guò)分析高強(qiáng)度承力梁結(jié)構(gòu)形式發(fā)現(xiàn)，其左右成非對(duì)稱(chēng)形式，且梁身無(wú)較大槽口及減重孔，此時(shí)零件將以強(qiáng)度較強(qiáng)處為軸線(xiàn)，向兩側(cè)剛性較弱處延伸，發(fā)生伸長(zhǎng)變形，淬火變形對(duì)零件筋條和孔的位置度影響最大。

超高強(qiáng)度鋼經(jīng)過(guò)淬火加高溫回火的調(diào)質(zhì)處理后可以達(dá)到非常優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，能夠大幅提高其強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度等性能指標(biāo)。但根據(jù)上述零件熱處理后的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量結(jié)果表明，調(diào)質(zhì)處理后零件會(huì)在剛性較弱處、應(yīng)力集中處或不對(duì)稱(chēng)方向上發(fā)生不同程度的變形[5]。零件伸長(zhǎng)變形規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 零件伸長(zhǎng)變形規(guī)律

分析變形原因得出，側(cè)彎及翹曲變形主要由于淬火過(guò)程中加熱溫度高，組織比容變化大，零件表面和心部不同位置的熱脹冷縮狀態(tài)不一致而產(chǎn)生大量熱應(yīng)力而導(dǎo)致的。同時(shí)，鋼在加熱或冷卻到臨界點(diǎn)時(shí)能夠發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，奧氏體、珠光體及馬氏體等組織的比體積并不相同，這種組織轉(zhuǎn)變不等時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的組織應(yīng)力。在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用下，當(dāng)材料內(nèi)部應(yīng)力大于該溫度下的彈性極限時(shí)，零件就會(huì)產(chǎn)生永久性的塑性變形[6]。發(fā)生伸長(zhǎng)變形現(xiàn)象主要是因?yàn)殄懠顟B(tài)需要進(jìn)行去應(yīng)力高溫回火，而該過(guò)程中，材料內(nèi)部殘余奧氏體的含量直接影響著零件最終淬火熱處理后的變形伸長(zhǎng)量。奧氏體含量越少，零件淬火后長(zhǎng)度變形量越小。

此外，除了材料含碳量、淬火工藝及熱處理設(shè)備等因素外，零件的尺寸和結(jié)構(gòu)也是影響熱處理淬火變形的主要因素[7]。首先，當(dāng)零件存在多處躲避和減重槽口時(shí)，槽口處最為薄弱，尤其支臂長(zhǎng)梁的槽口尺寸較大，破壞了零件的整體結(jié)構(gòu)剛性。在淬火階段，材料產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)最薄弱的槽口處以變形形式得以釋放，導(dǎo)致零件整體產(chǎn)生形狀畸變。

其次，當(dāng)零件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻及左右不對(duì)稱(chēng)時(shí)，即零件長(zhǎng)度范圍內(nèi)的質(zhì)量分布十分不均衡，機(jī)加工后材料內(nèi)部殘余應(yīng)力為非對(duì)稱(chēng)分布，導(dǎo)致在熱處理階段應(yīng)力釋放不均，最終產(chǎn)生零件變形。由于熱處理工裝限制了零件縱向的變形，應(yīng)力只能沿橫向即長(zhǎng)度方向上釋放，自然零件發(fā)生伸長(zhǎng)現(xiàn)象，并在剛度最薄弱處變形伸長(zhǎng)量最大。

2.4 改進(jìn)工藝方案

超高強(qiáng)度鋼最終熱處理后，材料的屈服強(qiáng)度與破壞強(qiáng)度非常接近，熱處理一旦結(jié)束，零件基本定型，即使剛性較差的部位也無(wú)法進(jìn)行校正[8]。因此，為了產(chǎn)品能夠符合設(shè)計(jì)尺寸要求，順利裝配交付，除優(yōu)化熱處理工藝，從材料本身組織變化方面降低熱變形外，最直接有效的解決方案是根據(jù)熱處理后零件變形規(guī)律、變形量及對(duì)裝配的影響情況，制定預(yù)留余量方案以補(bǔ)償熱處理變形。但由于零件熱處理后并非所有位置均發(fā)生變形，并且淬火后材料硬度較高，接近50HRC，難以加工，綜合加工效率和經(jīng)濟(jì)性等因素發(fā)現(xiàn)，并不適合整體預(yù)留余量淬火后進(jìn)行加工。因此，最有效的解決手段是確定具體應(yīng)留余量的部位及余量大小，將留有余量部位進(jìn)行強(qiáng)化熱處理后加工去除，從而可以使零件外形、筋條及導(dǎo)孔等主要影響裝配部位的尺寸及形位精度得以有效控制。

通過(guò)對(duì)某高強(qiáng)度承力梁熱處理后的變形規(guī)律及材料性能變化分析，從加工效率及經(jīng)濟(jì)性考慮，為控制由于零件長(zhǎng)度變化而導(dǎo)致的筋條、導(dǎo)孔位置的攢動(dòng)，提高零件的位置精度及平面度，本研究采取對(duì)裝配導(dǎo)孔進(jìn)行分區(qū)控制的措施，熱處理后制導(dǎo)孔。同時(shí)，根據(jù)熱處理后各框連接處筋條位置的偏移量，確定各框連接處筋條局部預(yù)留不等量的工藝余量，并在強(qiáng)化熱處理后進(jìn)行加工，以補(bǔ)償熱處理淬火變形。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，既能夠短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)零件淬火后變形區(qū)域的合格加工，又能最大程度減少熱處理后的切削量，提高零件加工效率。某高強(qiáng)度承力梁預(yù)留余量分布見(jiàn)圖6。

圖6 某高強(qiáng)度承力梁預(yù)留余量分布

3 淬火后機(jī)加試驗(yàn)研究

超高強(qiáng)度鋼材料在強(qiáng)化淬火和高溫回火后，通過(guò)試件性能測(cè)試，經(jīng)實(shí)際測(cè)量得到該材料部分重要力學(xué)性能參數(shù)(見(jiàn)表5)。由表可見(jiàn)，強(qiáng)化熱處理后材料硬度能夠達(dá)到50～55HRC，超過(guò)一般刀具的加工能力。因此，試驗(yàn)的另一重點(diǎn)研究對(duì)象為超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)化熱處理后的機(jī)械加工。

表5 超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)化熱處理后部分力學(xué)性能參數(shù)

超高強(qiáng)度鋼是一種難加工材料，加工過(guò)程中切屑與刀具易發(fā)生粘接，加劇刀具的磨損，加工過(guò)程中切削參數(shù)、切削速度對(duì)刀具使用壽命有很大影響[9]。因此，試驗(yàn)針對(duì)超高強(qiáng)度鋼淬火后特性，研究了適合超高強(qiáng)度鋼的加工刀具，通過(guò)切削試驗(yàn)總結(jié)了適合此材料的刀具切削參數(shù)。

底刃加工試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證φ63面銑刀的加工能力、切削質(zhì)量和刀片壽命。刀具加工參數(shù)中，切削寬度設(shè)置為刀具直徑，即切削寬度ae=63mm，切削深度ap=2mm，線(xiàn)速度vc=100～120m/min，順銑軸向分層加工，共切削32層，驗(yàn)證刀具的切削能力。面銑刀切削參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 面銑刀切削參數(shù)

側(cè)刃切削試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證φ20整體合金銑刀加工槽腔、外形等位置的加工能力、切削質(zhì)量和刀具損耗情況。其中，切削深度ap=20mm，切削寬度ae=2mm，線(xiàn)速度vc=50～70m/min，順銑徑向分層加工，共切削20層，驗(yàn)證刀具的切削能力。整體硬質(zhì)合金銑刀切削參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 整體硬質(zhì)合金銑刀切削參數(shù)

由刀具壽命對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，在每齒進(jìn)給量、切削深度和切削寬度在同一水平時(shí)，加工線(xiàn)速度與刀具的試驗(yàn)切削因素中線(xiàn)速度與刀具壽命基本呈現(xiàn)出線(xiàn)性變化規(guī)律。隨著線(xiàn)速度的增加，刀具壽命逐漸降低。可見(jiàn)，從刀具壽命考慮，應(yīng)選擇較小的線(xiàn)速度；從加工效率經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，選取切削線(xiàn)速度時(shí)可以結(jié)合零件的加工時(shí)間和表面質(zhì)量，通過(guò)曲線(xiàn)計(jì)算出最優(yōu)加工線(xiàn)速度，在刀具壽命范圍內(nèi)完成局部加工。刀具壽命與線(xiàn)速度關(guān)系折線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 刀具壽命與線(xiàn)速度的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)提出了一種依據(jù)超高強(qiáng)度鋼零件不同結(jié)構(gòu)形式在不同部位預(yù)留工藝余量，在強(qiáng)化熱處理中間階段進(jìn)行機(jī)械加工以補(bǔ)償熱處理變形的工藝方法，為超高強(qiáng)度鋼材料結(jié)構(gòu)零件的變形控制提供了思路和解決方案，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)成果如下。

(1)對(duì)大型超高強(qiáng)度鋼梁零件熱處理的變形規(guī)律進(jìn)行分析研究，提出了在淬火前局部預(yù)留余量火后加工的方法；

(2)對(duì)大型超高強(qiáng)度鋼梁零件筋條、緣條、腹板和孔位等典型結(jié)構(gòu)的形位和尺寸精度變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究；

(3)根據(jù)超高強(qiáng)度鋼加工性能的研究，提出了在淬火到高溫回火的中間階段進(jìn)行加工，即在超高強(qiáng)度鋼材料未達(dá)到強(qiáng)化熱處理后的最高硬度時(shí)進(jìn)行火后補(bǔ)加工，補(bǔ)償零件的變形加工方法。

(4)確定了超高強(qiáng)度鋼淬火后常用數(shù)控銑削刀具的加工參數(shù)和切削策略。