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

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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：

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)； 0 ^+ w1 k0 [8 e- T& o& L
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 ~1 t. V% s( S J( K
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； ! x! z6 a, v; ]& v
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。

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。

**表1 ВЖЛ1合金含量组成,%**
元素 0 ?% F% g7 U0 l# [9 Z+ j7 m! W	C 9 E2 d+ q( i' L# H; p1 D, j! e	Cr . S0 B) _( I, b% y' \	W ! T: u) d, g" i	Mo # c2 d2 ]2 \( f( e1 \|& T	Ti / N) `* I2 \) I+ g; [) ~3 k	Al 7 \4 U3 E! @! A$ f2 R	Ni ( o% ?/ }+ P" F. [: r+ ~% X	Fe : D* Z4 O) W8 A( a	B & n: v5 V% M# D	Si . S8 f: S. K% D$ ]	S 9 h/ `% z5 z3 d' y G	P 5 @4 m! i( B2 Y
含量 2 u% N6 z+ r' Q! Z$ _: P; `2 z	0.10-0.17 7 l3 B4 S' z o* ]& c6 f: i	15.0-17.0 % U5 [! l7 v# X/ {. Z n6 s	2.0-2.5 8 A% u6 {1 K# f0 H! O	3.5-5.0 : q, J8 h% D* ?" g) [9 y% V	2.0-3.0 ) s8 ]7 l7 {% p4 ?	2.0-2.8 , o8 n) I6 Q, L$ `	基 9 \; O0 p. c* z7 \7 f [	≤3.5 ! f' n* g) Z( D5 d& G	≤0.13 }6 T! J4 J1 L% M- p	≤2.0 . W, P0 y0 p Y	≤0.02 & Z8 k \0 C* U: X	≤0.02

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

7 F5 p' Z( m( X" q t

实验条件 ! d! x: E8 y+ g, l% G* |" K
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。 * N" C- C" }' p y8 }/ M1 X
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%)。 ( L# c. a* }1 X: J5 [ ~: G
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。
# o5 y# J& f- i6 d

实验方案

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。

**表2 磨削正交实验及结果**
实验号 0 i- J$ \8 ?. R, p* B: I5 S8 a	F_r mm 3 R/ v9 P d' b. v0 q: n	V_s m/s , k" x& `6 S* ^& n* G4 m	F_t N . H7 j$ M5 Z: D0 `8 Q	F_n N / P" _# W2 R2 H" o; ~4 s9 f4 D, ^; c. H
1 % l# s1 V" s: s5 r( A- t6 ]	0.01 4 t* d/ _1 k5 m' A	17.52 / l3 _/ E- ^ F6 F	17.45 ; U' o% [+ i0 F! p; b. O	27.21 ; H/ U6 ?. ~- p- o" l( u4 z" g
2 3 F2 u! A5 X% y! \	0.01 / Y- \|7 U2 a0 _) w: X2 U$ O	25.96 $ w1 d: N0 D3 \|. d	12.60 Q7 a! k" X7 t" m+ u4 b	23.22 , M4 l4 K- Z% k W5 q6 L
3 + l/ u/ [* Y6 l- \|6 p	0.01 % D& S9 _- n' c	32.45 & ]9 V0 Y% u/ O4 O8 o	7.97 : ]7 N( {- l% @" h% i b+ \|	15.64 / \|3 `3 e7 A4 W+ L' L
4 4 g/ `( d7 L3 \|; w9 O8 v	0.02 ( K/ @+ n3 a0 G$ f0 o9 z+ g- }	17.52 0 Q9 D1 u! F1 ?1 v7 P1 l	30.02 5 R! G ]. Z* I4 R3 x3 w/ [	45.56 9 c j- g! ~, x# T# t! q
5 - Z2 k# Y+ z, B/ n5 V$ A0 i	0.02 % q6 I1 w8 I0 f0 B2 D; \|1 {	25.96 3 k7 F/ W1 n, B	23.05 9 k1 U! \|2 {9 K	39.46 * _2 C( V+ k; u5 x6 ^* w
6 - Z( K. C+ H5 [- R" Y. E	0.02 ; `5 S. Q0 R! W' v. g2 l	32.45 + V( e" m- @5 F) {& K5 O" f/ J+ @* I	15.72 , }8 N6 _8 \2 v6 z: E0 @0 [+ z# @9 \	25.74 + F. g' V5 h$ q/ {
7 / s6 h; s- M6 u r	0.03 8 t$ }% ]1 V: f o: _+ u	17.52 : c. L+ T9 x0 [% D2 w5 m	42.69 8 m) Y4 `6 `: H: f6 S. Z$ w* U: V	62.30 4 }" k9 m5 W# _/ T
8 5 a, i, U+ j9 x3 m+ P' {8 P	0.03 # X! S" Y @5 K0 Y2 Z	25.96 ) O1 T: B: j7 d: K& t+ o	33.84 ' R0 \|8 t* d9 h$ u+ w' ]	55.45 8 H+ \|0 t) S9 O5 u9 K+ \|+ R2 E2 z3 {0 E
9 + R( j' J. a3 S; _8 i3 @	0.03 # Z0 v& @( M6 e0 Z	32.45 - C% S3 b- ~0 U! l' ]- Y	25.92 * E# ]% A3 w( O0 @	44.49

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。 ) I( h% y. w }
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。 # \9 l: p* P3 W, s
内圆磨削工艺实验 9 w3 Z6 }; I) l$ Y E$ 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。

0 h) W7 `: z' ~

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。

图1 进给量对磨削切向力的影响示意图

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

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. A3 N- p" i% G l& V$ b

磨削力随磨削过程变化的结果分析 8 f7 u+ D# U# o" [" F- K4 [
1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程 3 H) H6 J7 {1 D9 I
  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。 8 s3 C' B% n w" P) }% 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。
  " J( j. b. q! o) `- u3 [3 ^
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。 3 Q9 V2 I/ d. s5 V, J) X. s1 u
3. 磨削加工时磨削力的变化 1 O, \$ I, L K0 o# T
  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。
k9 p0 }) c1 O/ s* W3 N

砂轮的磨削及磨损状况

砂轮的表面状况 . x8 x2 e+ o' L3 I+ S
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。
5 @) D; D8 u( N* P! @& H/ Q* k

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。

**表3 磨削比**
磨料 9 h2 }' x5 b1 V! Y	WA80# V0 L8 I. h* Y. t( s6 S" {	CBN100# # h+ p% _8 Z2 V7 _	CBN180# ( ` j q1 O5 k8 V7 q; O- a4 J
磨削比(G) 2 }8 M# Y& J4 S. ~	1.174 x: f( @! e& C% x# V	8.92 3 {8 D5 k0 j! {+ d9 s+ A8 B" @3 `5 D	1.11 ) a% z2 e" F, C+ f: E
注：磨削条件V_s=25.8m/s，F_r=0.01mm，V_W=0.67m/min。

# K' ?; e J0 J! a

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。

**表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm)** ) K, x O Z0 q4 [
高温合金 * @& b: I; G) B. Y( c# Z* b	磨料 & h/ B. s0 D$ X V* {$ ^
高温合金 * @& b: I; G) B. Y( c# Z* b	WA80# * L$ n9 X9 Y& u. V	CBN100# 2 r$ b3 k/ U i0 L2 u; P) e' A r	CBN180# 6 g0 E8 y3 r( H' [. Z# H
ВЖЛ1 , }# J8 u. a: t" ?# t	1.06 + x4 L( a* Y' S4 B! c1 n	1.0	1.93 & r- g* L% \|6 r9 z" ~
K24 ' T9 f4 ?' Q+ J# v- x	1.01 ' _% g% l7 \: d# k& T) Q	0.886 1 V( c$ z2 Y0 m8 W) B+ v6 C	1.43

$ j I" i& G2 F( H7 q' d4 o" _/ j

内圆磨削工艺实验结果及分析 & o- j( A8 I6 R* {, X7 J
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。
9 u& ~: `5 G& D' D

磨削加工中磨削液的选择

**表5 内圆磨实验的表面质量**
实验号 " e6 l' e3 J, O, b6 u6 W	Ra (µm) # r, k+ v5 _3 V# A
a $ W( q& _$ h) n' Z5 k3 p: I0 d	3.72 4 `% _+ M" h9 Q& F. @, b1 \) \|
b 0 }! E7 p4 _" `, K	1.35 2 G B8 e$ Q: G1 H9 E( b
c ( q" ?% U. B6 G1 z	0.70 . @8 ?4 E7 M) N, X, z! {+ ~* r
d # S( ]* j/ V4 \| x0 L	0.168 2 t X# t% R5 B* P2 v" U( T0 l
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。

/ k: z2 [: t/ m. E/ e; @

磨削用量的合理选择 8 l0 k0 U( _8 G# L
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。

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