新型镍基高温合金磨削性能实验研究

HEATS

1 引言

$ M5 C1 \' w K; o: v7 M

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。 ) q- X2 F1 G2 b6 |, F

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：

5 r6 \4 d( [- Y# k" B3 B3 L
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； ; y! ]# v: z" K3 o
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。 3 E; y: E3 R! }8 j' S6 k

2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能

- ]' ~' L& n V4 }$ C& l* k0 l) I

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。 , n, s4 Z2 J o( {6 \" `* ?: E! p& N8 L8 l, x4 s' H2 c, O" N: j: ~ t% Y% C1 ^3 _6 {# A2 d" u

表1 ВЖЛ1合金含量组成,%

元素

C ! j! P4 \ i! r: B3 W G

Cr 7 s- |# q: `; `0 u$ k

W

Mo

Ti " A4 ]) g. R. ^# V$ _: X

Al # l5 y- X2 A l% W- u

Ni

Fe / V, j# G D, ^

B + n L- V2 @2 d% D: w- h @

Si

S ) v( x/ ?% q) G, ]: U3 k# z7 Y; f, R

P

含量 # f4 Y% A9 S8 I. N

0.10-0.17

15.0-17.0

2.0-2.5 ( V4 |2 W4 K# G; z

3.5-5.0

2.0-3.0

2.0-2.8

基

≤3.5 . S/ ]6 L F C$ v

≤0.13 + g( C$ |, I7 e

≤2.0 # G: Q$ A3 H4 B# G% L

≤0.02

≤0.02

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

1. 实验条件 ) \" V$ w' c1 [ R
   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。
2. 实验方案 . \* o9 h6 k/ V7 p
   3 I2 L1 V& C1 |4 D2 U& I6 w5 e/ t
   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。 : P7 k& F# r. l& w6 x; [2 P7 |% n6 a" q- ^; B! y7 L9 Y' r C. f! m# L- O f8 K% l6 @( Q- H6 ^5 R0 K" F: M% ` s$ J9 `% _. c7 T" Y9 _4 D$ b W G/ ^' H& T. }4 o) g8 _' K+ \+ d" M$ d

      表2 磨削正交实验及结果

      实验号 ' q$ S/ N5 U6 j, W	Fr mm 2 ^% g6 ]+ u% x- O9 h	Vs m/s	Ft N	Fn N
      1	0.01	17.52	17.45 * j* T: O6 K7 V3 p; K9 U6 z7 j: K( @	27.21
      2	0.01 1 G B- C2 K' |$ a B2 _' [, A+ l	25.96	12.60 & v& n, |: q. l+ e- X& \	23.22
      3 / N! K, M6 d6 B Z: c1 F4 S. Q0 s	0.01	32.45 9 g- i6 h; Y* _; X U0 z	7.97 + ^9 C& F4 F u0 m: Y, T	15.64 / ^# h3 I( p( w5 w/ p. J
      4	0.02 4 j& s0 G ~2 t. C: i	17.52	30.02 8 V$ U; K; j$ |1 \4 t	45.56 9 v0 `' U7 ~/ Y3 E
      5	0.02	25.96	23.05 ( t2 e+ a/ G7 q	39.46 # p+ z2 w9 [$ w7 Y( T3 s3 r
      6	0.02	32.45	15.72	25.74
      7	0.03 ' Z( R2 o7 d5 ^	17.52 3 \# s W; D# |/ h9 B; r6 t( c; @* O. N. F! S	42.69 / V( M2 n2 E5 Y1 {# {5 n6 q3 G	62.30
      8	0.03 # i1 [9 N$ l$ B: H) i+ t; D5 f# R	25.96	33.84	55.45 - H" |; `. t. v
      9	0.03	32.45	25.92	44.49

      & |9 B" c2 {( ^7 g6 V5 ~
   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。
   5 |! s* W0 v5 I
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。
   5 e: g6 j% U. I! r/ I* H. `) f4 G; K! s! V0 _$ [& z9 T: o0 d6 I! U8 v. J- U& u E

   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 & g' t$ l* s4 R# C: _6 t

   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。
   % N, `3 n: ?) F% K$ F) [+ s
4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析
   : q) e9 _- L$ y' ^2 Y. Z6 k
   1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程 * |1 G( N S/ z/ C6 s
      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。 ) D }6 e, y- U' d& X2 D) _% ^
      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 G- @* k4 }$ W8 B
   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。 ' u: K3 \% l& P/ B# }
   3. 磨削加工时磨削力的变化 3 z, i4 `8 t5 G' w# `
      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
   - y* z$ V/ ], O- X% N" m
   1. 砂轮的表面状况 4 y& L5 S) A% e G
      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。
      " L: w; w/ X3 F- k% m
   2. 砂轮的磨损 ; E" ^8 ]! ]3 n' A% [
      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。
      3 Y/ e8 L* I) J' I, x- Q

      表3 磨削比

      磨料	WA80# $ j1 W, ^0 }: @) i1 P/ a	CBN100#	CBN180# 7 S) X; [# Y0 a( D: }4 H6 l8 |
      磨削比(G)	1.174	8.92 2 H7 m, \2 `8 R; h/ i" B: G	1.11
      注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。

   4 _: t$ Y c! Q. k* G3 f# e
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。 - p. @$ H3 ~; x# [9 H- ?8 y1 [0 m7 l0 y- W, |$ v! K. y; z+ e( k$ n0 V0 E9 @2 G3 D' ]. P7 Z4 U; F3 V

   表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm)

   高温合金 " g) @% ^1 l" h	磨料
   	WA80# 3 N" d* g6 z3 W0 O, T* }	CBN100# " L( D, `! W4 Y) \2 j1 @! H0 z	CBN180# ) ^8 V4 K0 m, R9 @
   ВЖЛ1 1 C' R" L2 ^& [+ `	1.06	1.0	1.93
   K24 - K' a. v( u& t6 ^( y	1.01 ! ~. S3 i- a& V; u! R' G	0.886 3 J) J: [. @4 r. W! d	1.43

7. 内圆磨削工艺实验结果及分析 : P( C& f7 x# B" k, N
   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 $ M0 U* H8 K8 W6 f; V$ d G Q+ |! o' W& ], w, V I1 `. @. C A9 Y! m' t: ^ L6 t0 b; p: Q6 g+ i) }+ r5 k% h- h0 ?9 S9 v, Z1 `, c- _# t |+ y* o5 S( G8 \9 G4 [

   表5 内圆磨实验的表面质量

   实验号	Ra (µm)
   a	3.72 ' o+ F9 k: g3 S$ C
   b	1.35
   c	0.70 4 v$ |3 Y, Z J* @1 i# [ `
   d	0.168 / O( o- l/ ^, K' ~2 r$ ~& U
   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。

   5 z# |4 c/ [9 z8 C F6 _
   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
   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。