新型镍基高温合金磨削性能实验研究

HEATS 发表于 2010-9-12 16:55:53

新型镍基高温合金磨削性能实验研究

<H1>1 引言</H1>
<DD>高温合金是多组元复杂合金，具有优良的高温强度和热稳定性，在600～1100℃的氧化和燃气腐蚀条件下能长期工作，因而被广泛应用于航空、宇航、船舶及化学工业中。工业生产中通用的高温合金分为铁基、镍基和钴基三类，本文研究的为ВЖЛ1型(以下简写为此代号)镍基高温合金。
<DD>由于高温合金通常作为关键器件在高温和复杂应力条件下长期工作，为了获得良好的性能，在加工过程中通常需添加各种元素和采用强化工艺，使得高温合金的切削(磨削)加工性能较差，主要体现在：
<OL lower-roman>
<LI>磨削高温合金时，砂轮磨粒有较严重的磨耗磨损和粘附堵塞，磨削比很低(普通砂轮的磨削比G=1～2)；
<LI>由于镍基高温合金材料中含有高熔点合金元素，具有碳化物相及金属间化合物g"相和g'相，易产生强烈的塑性变形，因而磨削力比一般钢料大得多；
<LI>由于高温合金的热导率很低，因而磨削时传入工件的热量百分比较低，且热量集中在极薄的磨削表面层，使得磨削温度很高；
<LI>在磨削力和温度的综合作用下，产生磨削烧伤，表面质量不易保证。</LI></OL>
<DD>ВЖЛ1是沈阳黎明航空发动机集团研制的一种新型铸造镍基高温合金，实际生产中的加工性能较差，为了提高大批量生产的加工效率和质量，降低成本，研究其磨削加工性能具有十分重要的意义。
<H1>2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能</H1>
<DD>ВЖЛ1的成份复杂，主要为镍(约≥60%)及Cr、W、Mo、Ti.、Al、C等几种元素，对一些微量组份(例如S、P、Mn、Si等)进行严格的控制，使其具有良好的高温强度和热稳定性，常温下拉伸强度sb≥670MPa，布氏硬度为300～600。ВЖЛ1各组成成份的含量见表1。
<TABLE borderColor=#006600 cellSpacing=0 borderColorDark=#f5fbca cellPadding=0 align=center bgColor=#e5ebba border=1>
<CAPTION>表1 ВЖЛ1合金含量组成,%</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>元素
<TD>C
<TD>Cr
<TD>W
<TD>Mo
<TD>Ti
<TD>Al
<TD>Ni
<TD>Fe
<TD>B
<TD>Si
<TD>S
<TD>P
<TR align=middle>
<TD>含量
<TD>0.10-0.17
<TD>15.0-17.0
<TD>2.0-2.5
<TD>3.5-5.0
<TD>2.0-3.0
<TD>2.0-2.8
<TD>基
<TD>≤3.5
<TD>≤0.13
<TD>≤2.0
<TD>≤0.02
<TD>≤0.02</TD></TR></TBODY></TABLE>
<H1>3 ВЖЛ1磨削性能的实验</H1>
<OL>
<LI>实验条件
<DD>试件：43.5×25×240mm铸件；实验磨削面尺寸：磨削长度l=43.5mm，磨削宽度b=10.0mm；加工设备：液压万能工具磨床MYA6025，内圆工具磨床MD215。
<DD>磨具材料：平磨125×32×15粒度100#CBN砂轮(浓度100%)，125×32×15粒度180#CBN砂轮(浓度100%)，125×32×15粒度80#白刚玉砂轮；内圆磨f10粒度120#CBN砂轮，f10粒度180#CBN砂轮(浓度100%)。
<DD>测试仪器采用Kistler压电三向动态测力仪9257B，Kistler电荷放大器5007，数据采样系统采用12位A/D接口卡，486微机，数据采集处理软件系统。</DD>
<LI>实验方案
<OL style="LIST-STYLE-TYPE: lower-alpha">
<LI>磨削正交实验中，依据二因素三水平正交实验方案(见表2)用180#CBN砂轮进行磨削。
<TABLE borderColor=#006600 cellSpacing=0 borderColorDark=#f5fbca cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba border=1>
<CAPTION>表2 磨削正交实验及结果</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>实验号
<TD>Fr mm
<TD>Vs m/s
<TD>Ft N
<TD>Fn N
<TR align=middle>
<TD>1
<TD>0.01
<TD>17.52
<TD>17.45
<TD>27.21
<TR align=middle>
<TD>2
<TD>0.01
<TD>25.96
<TD>12.60
<TD>23.22
<TR align=middle>
<TD>3
<TD>0.01
<TD>32.45
<TD>7.97
<TD>15.64
<TR align=middle>
<TD>4
<TD>0.02
<TD>17.52
<TD>30.02
<TD>45.56
<TR align=middle>
<TD>5
<TD>0.02
<TD>25.96
<TD>23.05
<TD>39.46
<TR align=middle>
<TD>6
<TD>0.02
<TD>32.45
<TD>15.72
<TD>25.74
<TR align=middle>
<TD>7
<TD>0.03
<TD>17.52
<TD>42.69
<TD>62.30
<TR align=middle>
<TD>8
<TD>0.03
<TD>25.96
<TD>33.84
<TD>55.45
<TR align=middle>
<TD>9
<TD>0.03
<TD>32.45
<TD>25.92
<TD>44.49</TD></TR></TBODY></TABLE>
<LI>磨削力随磨削过程变化实验方案，分别用新修整过的WA 80#、CBN 100#、CBN 180#砂轮进行实验，记录实验的磨削力。方式：逆磨，实验次数：80～100次，参数：Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。
<LI>修整方案，先进行修圆，采用金刚石笔修整法。白刚玉砂轮修整参数为：粗修Vs=25.8m/s，Fr=0.02mm，Fa=1mm/s，2次；精修Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，Fa=1mm/s，2次；光修Vs=25.8m/s，Fr=0mm，Fa=1mm/s，2次；CBN砂轮的修整方案为：精修Vs=25.96m/s，Fr=0.01mm，Fa=1mm/s，4次；光修Vs=25.96m/s，Fr=0mm，Fa=1mm/s，2次。
<LI>内圆磨削工艺实验
<DD>分别采用外径为f10的CBN120#和CBN180#的内圆磨砂轮对内孔径为f10的试件进行磨削工艺实验，磨削砂轮的转速为24000r/min，加切削液，测定粗糙度进行比对，然后检验加工质量，作为实际生产中的应用依据。</DD></LI></OL>
<LI>磨削力经验公式
<DD>通过采用正交实验和多元线性分析可以得到磨削力经验公式为
<CENTER>Ft=104.32Fr0.924Vs-1.003 Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741</CENTER>
<DD>式中Ft、Fn的单位为N，Fr的单位为mm，Vs的单位为mm/s。受实验条件的限制，把平台的移动速度固定为VW≈0.67m/min。 
<TABLE align=right>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD width=260><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_wqqdh4200841811188.gif"> 图1 进给量对磨削切向力的影响示意图
<TR align=middle>
<TD width=260><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_mf9me32008418111910.gif"> 图2 进给量对磨削径向力的影响示意图
<TR align=middle>
<TD width=260><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_dx8cu82008418111919.gif"> 图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化
<TR align=middle>
<TD width=260><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_bz7wzd2008418111929.gif"> 图4 采用CBN100#磨料时磨削力随磨削过程的变化
<TR align=middle>
<TD width=260><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_4ossxn2008418111937.gif"> 图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化</TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>根据磨削力经验公式和进给量对磨削力的影响示意图(见图1、2)可以看出，用CBN 180#磨削ВЖЛ1的过程中，磨削力并不大，它随进给量Fr的增大而增大，随砂轮磨削速度的增大而明显降低，因此进给量对磨削力影响十分显著。</DD>
<LI>磨削力随磨削过程变化的结果分析
<OL style="LIST-STYLE-TYPE: lower-roman">
<LI>白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程
<DD>变化过程曲线如图3所示。图中分别伴随以Ft、Fn的曲线为Ft和Fn的趋势线。在用刚玉砂轮进行加工的过程中，磨削力一直增大，在全部磨削过程中伴随有较严重的粘附现象，相当于一个磨损钝化的砂轮在磨削时，有时会因部分磨粒的脱落而使磨削力在一段时期内下降，到最后阶段砂轮的表面基本都被磨削材料覆盖，造成粘附的金属与被磨零件表面接触，因此Fn方向的力急剧增加，而Ft方向的力由于变成了滑动摩擦，故而变化不大。
<DD>虽然用刚玉砂轮磨削时磨削力不断增加，但在80次以前磨削力并不大，说明刚玉砂轮材料在少量磨削的情况下还是比较锋利的，效率较高，但在大量磨削情况则不易采用。</DD>
<LI>CBN 100#磨削加工时磨削力的变化变化过程的曲线如图4所示，图中分别伴随以Ft、Fn的曲线为Ft和Fn的趋势线。由图可见，用刚修整过的砂轮磨削时，初期磨削力相对较小，随后磨削力迅速增至最大值，达到一定磨削力后再继续磨削，磨削力又有一定程度的降低，并达到一个较长的稳定阶段。工艺系统弹性变形使刀及刚修过的砂轮表面容易脱落，磨削力降低，实际磨削深度增大。由于砂轮表面磨粒数已基本稳定，磨粒迅速钝化，当磨削力不断增大到超过粘结剂及磨粒所能承受的程度时，磨粒开始脱落，使参与磨削的有效磨粒数减少，因而磨削力又有一定程度的下降，在降到一定程度后开始达到稳定状态，稳定状态开始的次数约为20～30次。CBN砂轮的稳定状态较长，说明CBN砂轮的耐磨性较好，磨粒不易磨钝。
<LI>磨削加工时磨削力的变化
<DD>如图5所示，变化过程的曲线中同样伴随线为Ft、Fn的趋势线。由图可见，用CBN180#砂轮磨削时的磨削过程变化与CBN100#磨削过程基本相同。不同的是，CBN180#砂轮磨削力要小得多，这主要是磨削过程中磨粒更容易脱落，使得参与磨削的磨粒数减少，因此磨削力小。</DD></LI></OL>
<LI>砂轮的磨削及磨损状况
<OL style="LIST-STYLE-TYPE: lower-roman">
<LI>砂轮的表面状况
<DD>在磨削高温合金的过程中都伴随一定的粘附。刚玉磨料的粘附较为严重，原因是用刚玉磨削时，诸如Cr2O3、Al2O3等均属六方系统，有a-Al2O3结构，其点阵参数相近，会使Al、Cr、Ti等通过其表面氧化物与刚玉形成较强的粘附，只要用刚玉磨削高温合金，不管采取多大的磨削用量都会发生粘附；增大磨削深度ap会导致磨削力和磨削温度增大，粘附会相应增加。用CBN磨料磨削时，只有轻微的粘附现象，由于CBN砂轮的自锐性比较好，故两种砂轮的磨削力可以保持长期稳定阶段，说明了CBN砂轮对ВЖЛ1材料有良好的磨削性能。</DD>
<LI>砂轮的磨损
<DD>用几种磨料磨削ВЖЛ1的磨削比如表3所示。用白刚玉或单晶刚玉磨削高温合金的磨削比通常比较低，而CBN100#砂轮在相同条件下有较高的磨削比，说明其磨削性能好；CBN180#砂轮磨削比较低，说明其良好的自锐性使表面的粘附少，适于对ВЖЛ1的精加工。 
<TABLE borderColor=#006600 cellSpacing=0 borderColorDark=#f5fbca cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba border=1>
<CAPTION>表3 磨削比</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD bgColor=#c5cb9a>磨料
<TD>WA80#
<TD>CBN100#
<TD>CBN180#
<TR align=middle>
<TD bgColor=#c5cb9a>磨削比(G)
<TD>1.174
<TD>8.92
<TD>1.11
<TR>
<TD style="FONT-SIZE: 8pt; BORDER-BOTTOM-COLOR: #f5fbca; BORDER-RIGHT-COLOR: #f5fbca" bgColor=#f5fbca colSpan=4>注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。</TD></TR></TBODY></TABLE></DD></LI></OL>
<LI>磨削表面加工质量
<DD>磨削表面粗糙度与砂轮的单位面积磨粒数、磨粒分布及切削痕迹有关。在本次实验的粗糙度测试中，在相同条件下用三种磨料分别对高温合金ВЖЛ1和K24进行磨削，其磨削情况的对比见表4。对高温合金的有进给平磨磨削中，CBN砂轮的磨削质量没有明显的改善，尤其在使用CBN180#的加工中，表面质量有所下降，说明在有进给加工中磨削效果较差，建议在生产中的最后精加工工序中采用精磨或无进给光磨，以提高其表面质量。
<TABLE borderColor=#006600 cellSpacing=0 borderColorDark=#f5fbca cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba border=1>
<CAPTION>表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm)
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD rowSpan=2>高温合金
<TD colSpan=3>磨料
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>WA80#
<TD>CBN100#
<TD>CBN180#
<TR align=middle>
<TD>ВЖЛ1
<TD>1.06
<TD>1.0
<TD>1.93
<TR align=middle>
<TD>K24
<TD>1.01
<TD>0.886
<TD>1.43</TD></TR></TBODY></TABLE></DD>
<LI>内圆磨削工艺实验结果及分析
<DD>在ВЖЛ1内圆磨削时，为应用CBN砂轮提供实验依据和经验加工参数，特别用两种CBN砂轮对孔径为f的试件进行了工艺实验，实验结果见表5。从表中可以看出，用CBN内圆磨砂轮加工ВЖЛ1高温合金表面质量良好，粗糙度有明显的改善(<0.7)，建议采用的磨削速度为24000～30000r/min。</DD>
<LI>磨削加工中磨削液的选择
<TABLE borderColor=#006600 cellSpacing=0 borderColorDark=#f5fbca cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba border=1>
<CAPTION>表5 内圆磨实验的表面质量</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>实验号
<TD>Ra (µm)
<TR align=middle>
<TD>a
<TD>3.72
<TR align=middle>
<TD>b
<TD>1.35
<TR align=middle>
<TD>c
<TD>0.70
<TR align=middle>
<TD>d
<TD>0.168
<TR>
<TD style="FONT-SIZE: 8pt; BORDER-BOTTOM-COLOR: #f5fbca; BORDER-RIGHT-COLOR: #f5fbca" width=200 bgColor=#f5fbca colSpan=2>注：a——未经加工的试件，b——用CBN120#粗加工的试件，c——在实验b基础之上用CBN180#加工的试件，d——在实验c基础之上进行研磨抛光的试件，磨削条件为：加磨削液，加工速度为24000r/min。</TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>由于高温合金的导热性能较差，磨削时传入工件热量的百分比较低，磨削中产生的大量热量集中在极薄的磨削表面层，因而磨削温度很高，易使表面烧伤，产生烧伤裂纹，当表面金属收缩时，受内部金属的牵制，使磨后工件表面呈有害的拉应力，磨削精度降低，因此磨削时应注意在切削液充足的条件下进行，以便带走较多的切削热及冲洗试件和砂轮表面，从而获得较好的磨削质量。一般采用油基磨削液喷注冷却，以减少砂轮阻塞。</DD>
<LI>磨削用量的合理选择
<DD>在高温合金ВЖЛ1的磨削加工中，一般采用较小的磨削余量、适中的工件速度和中等偏上的砂轮速度。磨削所留的余量应该比磨削碳钢时小一些，以减小磨削工作量，粗磨时一般留0.15～0.3mm，精磨时留0.03～0.05mm。实验表明，砂轮的线速度在25～30m/s左右时加工效果较好，也可采用高速磨削(40～60m/s)，这样金属切除率和磨削比将大大提高，但必须具备相应的设备和技术措施。工件速度对磨削烧伤影响较大，磨削高温合金时应适当提高工件速度，但不宜过高，否则会引起自激震荡。</DD></LI></OL>
<H1>4 结语</H1>
<DD>通过对镍基高温合金ВЖЛ1的磨削特性进行的实验研究，获得了不同磨料下磨削力、磨削表面状况和磨削比等基本特性随磨削过程变化的情况，得出了精磨时磨削力随磨削参量变化的经验公式，为生产实际提供了可靠的依据，在实际应用中得到了良好的效果。 </DD>

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