新型镍基高温合金磨削性能实验研究

HEATS

1 引言

( W/ f* a; O8 |) b

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。 , n; g( w# Y: G) w6 P

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： % Z, ^1 [8 c8 x7 _' K

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)； 6 C! c- e* Q c/ O0 k
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； 9 j+ N9 O% D( u& G( n; d. o
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；
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。

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。 # s$ W7 N U2 w

2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能

: c$ X u& @9 | C) }; }. B

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。 % Z) Q( B ~. f) o3 N- c( l" w1 u& a/ `# g6 g* G3 @' e2 V5 ^4 g3 V1 b" v& |& N9 C; p' r

表1 ВЖЛ1合金含量组成,%

元素 : K* k% K# f$ c; Q9 L0 M' l

C

Cr

W

Mo

Ti & c; W! W/ I$ N

Al : r# q& ?" i f

Ni

Fe # C ^. S: i9 r! m# ~

B

Si * K4 |: ?6 Y' y$ ?" B

S 1 Y" ~% ~9 b2 Y! v

P

含量

0.10-0.17 1 K! N1 @6 ~) |7 c2 a3 q, L4 G, U9 n% |

15.0-17.0

2.0-2.5

3.5-5.0

2.0-3.0

2.0-2.8 & b+ K1 e1 i0 }' f& x; ^

基

≤3.5 ! ?+ p2 l2 K. [+ Y: P' {

≤0.13 0 s8 K) I% |, a7 I' G) @- |( E

≤2.0 / v: S* K3 ~+ e; p: {

≤0.02 : g- z, i6 t* Y

≤0.02

& K0 A: }- x6 K1 A7 c7 c @

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

+ \7 a" y$ _4 h5 `; q

" ]& B+ {2 ]) U) f2 I3 P
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。 , j2 ^: |2 R4 k8 B4 @
   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%)。 0 O" k) ^! w" h# ~
   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。
   + ^8 v# B1 G1 P+ m3 B8 X( v
2. 实验方案
   9 r# n v/ N7 b) q
   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。 8 A, v( l6 w* w2 H& r1 `9 t+ J/ C& |9 t5 C, w0 F1 S8 U j k9 L1 |8 r" Y: C& T3 T; x+ t- I; i" a8 y0 d' b! h* ~- x6 Q, u7 Z1 r! `2 L9 d5 c8 h) F+ H" o3 l4 |5 z7 @3 _2 S, C' G2 T) t' ]8 o p# e$ Q0 x0 {8 j C( b0 N. O+ r1 r& b( o* `8 Y6 ?0 S# i( ? j. x

      表2 磨削正交实验及结果

      实验号	Fr mm	Vs m/s 9 i* T6 a; r- U5 g. ]	Ft N	Fn N ! E+ E# [4 e1 _
      1 I5 f/ \8 {& U7 q$ e# C	0.01 , Y% x* p: w+ x; j	17.52 1 r, y8 h1 V1 x5 p. @) `	17.45	27.21
      2	0.01	25.96 # F; r" U0 K5 u) E- z	12.60	23.22
      3	0.01	32.45	7.97 1 ~! \+ ^& V' n" c( c/ d1 Q! e' `, L	15.64 . y3 `' d% }; W }% z& l7 M- ^
      4	0.02	17.52	30.02 ; H* V" p0 l" D( l: z; J( H	45.56 - p; f' N+ Q; a& k) z; g
      5 * |3 `, e# g8 ~	0.02 ) Q+ ^9 }( q% W' g	25.96 & j3 W; f- _5 X3 H	23.05	39.46
      6 ) P/ d0 _1 O, O% U4 n	0.02	32.45 1 n$ z" V) [* q	15.72	25.74
      7 . f9 G; Y. ]3 T' e6 K. w	0.03 . l6 N* p$ x& ?" R* T	17.52 2 U. u# a+ r9 k$ }	42.69 5 r% O! E6 `0 ^/ O' c	62.30 8 ^ W, q! t; x |+ }% ?4 J; D+ x
      8	0.03	25.96	33.84 9 p' _: u5 ?( N& O/ Q	55.45 , _ l q& d3 x8 H$ U
      9 8 ?& {" U1 K* e. k	0.03 1 {3 J& G0 z" b' r8 q/ i7 u	32.45	25.92	44.49

   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。 # V8 Z" u. h6 p0 }" X$ \; R6 s
   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 - Z% ^1 g+ C! u' q7 L
      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 F_t=10^4.32F_r^0.924V_s^-1.003
   F_n=10^4.00F_r^0.823V_s^-0.741
   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。
   9 h$ \! g- @! N# q$ w7 O N" D: |( b @# y) [8 t2 T$ W2 k* x1 T0 @8 k8 b" J/ ]& L# M6 f. y8 D, F$ S! j6 l; S7 M3 `/ D3 p* ~ A2 f

   图1 进给量对磨削切向力的影响示意图 + ~/ c- n9 \3 S: L- w

   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

   图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化

   S, U4 }: j( C, Y# x
   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。
   ) e, a& t; L3 y7 a: P, F6 L
4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析
   * U3 _# B! {$ y" _/ d* ^2 E
   1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程
      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。
      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。 - O1 ^ `5 N6 v8 ` o) |( k
   3. 磨削加工时磨削力的变化
      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。
5. 砂轮的磨削及磨损状况 ) B% E3 [& {( i" [2 U4 T# t K
   1. 砂轮的表面状况 ( K3 y8 X4 g: J6 v
      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。
      / ~# q% P3 v# l7 O5 ~; M6 ~$ k5 Y- m1 d# r: I, h9 x! V' W' [$ j |5 S% F0 t r8 K, B2 G6 F$ P) M

      表3 磨削比

      磨料 # p6 p; Z* L" h' P! a3 l	WA80# 3 }6 z* }1 V6 e. q3 G7 z	CBN100#	CBN180#
      磨削比(G)	1.174	8.92 - X2 u& s( l* H# m3 i* q8 z6 o	1.11 * X1 @+ s* C. O. V* Q
      注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。

   - f- ^( Z( G2 a1 x' O* f+ k$ }% ~
6. 磨削表面加工质量
   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。 3 T5 o2 B) L- x# p8 ?2 `/ t+ C$ [8 g2 s% c4 G/ `9 Q

   表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm) ! O6 E6 q4 }0 E: i2 e9 U( d

   高温合金 + z+ w+ S) P# i* G! \# l( T	磨料
   	WA80#	CBN100#	CBN180# _% f, ?' S, l. {6 p
   ВЖЛ1 5 L( v/ _, \( E+ N8 a- q; ?	1.06	1.0 . I$ m0 T$ [) d0 {	1.93 % |) G* Z1 J6 d
   K24	1.01	0.886	1.43

   " x3 e) w6 Q# V) @ M$ h9 K
7. 内圆磨削工艺实验结果及分析
   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。
8. 磨削加工中磨削液的选择 8 s& }7 Y8 E2 a2 z6 ~. H) Q) |. @) x% R6 J- [/ H) v! E3 @6 o9 Z* B4 ^# h8 L8 J2 ] N- T4 v$ K, I% G; z1 X) O9 b/ D \ A. b4 r$ d y+ o+ I5 T' v) _; Y) L

   表5 内圆磨实验的表面质量

   实验号 . q3 C1 C1 I( c. \$ m0 A2 }	Ra (µm) 8 I- [6 k$ _/ ^2 r- C! Z8 d
   a	3.72
   b	1.35 & C! A8 j9 j' K |4 |6 K$ b+ e
   c	0.70 * t6 f/ M' s0 ~+ }: K
   d	0.168 + x: a0 P5 p( H# N x
   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。
9. 磨削用量的合理选择 # V* {3 H5 `" p* [1 H# v1 {
   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。

- E5 g9 z' Y. g( l

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。