新型镍基高温合金磨削性能实验研究

HEATS

1 引言

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。

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： o0 Y* f' Z; _2 M; N9 Y

1. 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)；
2. 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；
3. 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； 9 N) R: z# j, k F, h3 A) z( V
4. 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。

# A8 Q1 d8 k7 i' M

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。

2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能

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s_b≥670MPa，布氏硬度为300～600。ВЖЛ1各组成成份的含量见表1。 2 c! t* x5 `/ ]: X; V, r" i; U0 n3 @% I* p+ Y, a( E6 j& U2 S

表1 ВЖЛ1合金含量组成,%

元素

C $ m H P1 R! y% G

Cr ( E9 W6 N+ f9 o$ {' Q# \

W % S5 u5 R( \& h# B2 c Q7 ]

Mo ) Y/ Q$ @2 ^) C6 P" g4 v: Y, D- _

Ti

Al

Ni ; T+ R. j, b. S5 P, ]' ~4 L# U) @$ [1 k; ^

Fe * D) p' d- v' e. }& j* k7 R0 `5 ^% ^: k

B * Y) x4 E& S2 U

Si 7 _/ D; T# }! E& @: {5 ]# W* N3 H4 ?

S * t, a9 x, ]) i9 e# E! k

P 3 Y( {; o) E8 @+ H K! r

含量

0.10-0.17 ' S$ O0 T8 p4 `" E2 f5 n2 H: J

15.0-17.0

2.0-2.5 , w2 ]" W( o# p3 R

3.5-5.0

2.0-3.0

2.0-2.8

基 8 |# z! a% w A* S2 V3 X

≤3.5

≤0.13 1 m: F. K2 k: m7 J1 F

≤2.0 : C- s- i0 _3 H6 n& @5 O3 p

≤0.02

≤0.02

" e: J+ P3 U9 R6 h+ D3 F: r: R

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

% R* ]6 q. W" ^# L8 h

1. 实验条件
   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。
   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%)。
   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。
   ! j+ l$ B4 q8 ^: A' y5 p
2. 实验方案 , z2 _4 h7 F6 n" i5 b1 U
   1. 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。 - _- I/ A3 F0 Q) s# O. S: w; k5 _7 s4 @- f4 w6 m: m( [9 @. A5 B& [( z5 m! [; \4 G# z! T1 C/ C3 K; W E% g0 K! }- Q& E S3 Z z5 U* a% y: _" U- y( E* g2 R+ h7 {8 c6 X" t5 h9 a, c* l' _ j( f$ I4 D/ f% o( y, R2 _3 V- P- U% Q: P) o/ \7 G) x$ @ j7 V9 _6 g- J/ A

      表2 磨削正交实验及结果

      实验号 ( d( T* s0 T% O2 H	Fr mm	Vs m/s	Ft N	Fn N
      1	0.01 + {! ?# ?, E3 Q8 F* ^	17.52	17.45	27.21
      2	0.01	25.96 / i8 O9 O8 K# O5 f	12.60 9 y+ ^1 p3 w e2 R V	23.22 ( I% }1 V: Y% \, j6 ?" }& n
      3	0.01 [# [& M5 E2 \. V( X	32.45 N2 ]7 N- G( a2 ^	7.97	15.64
      4 " b( K* r2 }1 Z/ h8 [( V' c9 d	0.02 , Q' A3 b# }$ G+ }! S l0 ]( k. I	17.52 3 a3 i) B8 {4 k1 k8 @	30.02	45.56
      5	0.02	25.96 . w; B2 l) @+ d, `, ?& j" M. C	23.05 5 [# K- }+ n# k) Z6 s# ` S	39.46 & y, ]" |# r0 B: T( F5 ]5 o
      6 : B( k) O3 q5 N: V; t	0.02 . ^6 G. o" A5 M5 w5 U1 e% w2 _	32.45	15.72 6 u u8 _0 v% H: S% M& t	25.74
      7 4 {4 [, k0 Z3 X0 l	0.03 5 x0 T- e5 M. e6 f7 ]/ ~	17.52	42.69 1 O" y" h; Z0 w9 j! y& c; U	62.30
      8	0.03 6 b( q, H- y3 h	25.96	33.84	55.45 . K8 h( T2 S, C, }, Q6 s! O1 H
      9	0.03 y6 d: z& N9 m7 k	32.45 ( u$ z* x+ s4 {4 d/ z	25.92	44.49

      ! g( l$ q& ^; o6 l" \
   2. 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：V_s=25.8m/s，F_r=0.01mm，V_W=0.67m/min。
   3. 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V_s=25.8m/s，F_r=0.02mm，F_a=1mm/s，2次；精修V_s=25.8m/s，F_r=0.01mm，F_a=1mm/s，2次；光修V_s=25.8m/s，F_r=0mm，F_a=1mm/s，2次；CBN砂轮的修整方案为：精修V_s=25.96m/s，F_r=0.01mm，F_a=1mm/s，4次；光修V_s=25.96m/s，F_r=0mm，F_a=1mm/s，2次。
   4. 内圆磨削工艺实验
      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。
3. 磨削力经验公式
   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 2 `, w& U4 n2 V- DF_t=10^4.32F_r^0.924V_s^-1.003
   F_n=10^4.00F_r^0.823V_s^-0.741 4 F9 t3 h2 m& y( p: Q5 p" N
   式中F_t、F_n的单位为N，F_r的单位为mm，V_s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V_W≈0.67m/min。
   & _: d. T) L' J4 d1 b3 O; I1 Y+ s0 S# u$ k1 A) j8 A" V

   图1 进给量对磨削切向力的影响示意图 7 n! s3 H5 w: `4 p

   图2 进给量对磨削径向力的影响示意图

   图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化

   图4 采用CBN100#磨料时磨削力随磨削过程的变化 4 m" g, ?- P) L1 w. \: G

   图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化

   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F_r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。
4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析 / o9 s5 m/ x1 K% X' ], K
   1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程 . [) `& d- o2 _# E0 y
      变化过程曲线如图3所示。图中分别伴随以F_t、F_n的曲线为F_t和F_n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F_n方向的力急剧增加，而F_t方向的力由于变成了滑动摩擦，故而变化不大。 - Z4 j9 [3 y0 E
      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。
   2. 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F_t、F_n的曲线为F_t和F_n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。 ! M0 z3 V, e) ]/ D4 m
   3. 磨削加工时磨削力的变化 9 R6 x* w w! R% C2 P$ I
      如图5所示，变化过程的曲线中同样伴随线为F_t、F_n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。
   % t3 W, } _' C4 D O2 L0 z! X. P
5. 砂轮的磨削及磨损状况
   , z, J9 y O8 G! F" U
   1. 砂轮的表面状况
      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a_p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。
   2. 砂轮的磨损
      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。
      2 |& Q, K3 j1 [, V7 C0 T' f( O' F) U) ?+ J9 c# ]) R W8 V2 y+ i% V) X' P) z' B. m* p4 f9 q4 V9 P+ _* ^) t- N. d2 C ^: v

      表3 磨削比

      磨料 ) j" M- ]& K4 B- g: F b6 W6 R/ I	WA80#	CBN100# y K$ T- F! |. o" ^* g	CBN180# + U! q8 X9 _' z2 r3 G6 ~0 e# Q
      磨削比(G) , g. G; B: Z+ F; ?" j	1.174	8.92 , y3 k! k8 ?- K; S! ~	1.11
      注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。

6. 磨削表面加工质量 2 Z+ z( u; X1 F# L- s- r. Y4 p- v, B
   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。 & m9 ~( e% n+ V% @' S7 Y; n: G' e: e: i1 e5 W; f, I0 c8 w% |2 d8 v8 C4 W) R5 H* [) H/ l) X/ q9 N* s% z2 y! L; ^2 }% ?+ X. h/ C* ?

   表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm) 9 ]" Y* O6 M7 y, |' w

   高温合金	磨料 . T7 @; ]0 p. u6 v% m
   	WA80# - N* ~: F/ j0 T' X. ]	CBN100# 5 |1 [# U* i: B5 ?0 ?/ V7 N& g	CBN180# 5 x, M) _3 R8 R) a+ e0 S9 v) O
   ВЖЛ1 : \& r. T8 g3 l5 K: ?/ m$ X	1.06	1.0	1.93
   K24 + |" k' h5 U5 Y# ^; f1 F2 j	1.01	0.886	1.43

   1 M. D0 D+ A4 [+ i* q$ \, {, \' C
7. 内圆磨削工艺实验结果及分析 9 J! ]3 i# A2 K { i' E6 y! Y% o t
   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。
   ; I5 R$ _" S! ~4 Z0 P2 j0 E2 d
8. 磨削加工中磨削液的选择 ( k7 E4 U% J7 m, |" S! |! z% ]+ x0 {# S9 K! o, p; H9 W7 f8 w+ E3 j8 G* z! `1 c* L9 Z' Y* c5 ~# \, | F# y8 A

   表5 内圆磨实验的表面质量

   实验号	Ra (µm)
   a ' X0 R2 Z! U8 N	3.72
   b : U/ p8 ^7 K6 U! I	1.35 # b& H* t% Z+ U& W
   c 2 v" H/ y5 S8 X E	0.70
   d	0.168 ; m/ G9 s- ^# y. \+ }/ C+ k' d' Y
   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。

   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。
   ; Y* v. R2 y5 I: t1 C+ k7 i
9. 磨削用量的合理选择
   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。

4 结语

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。