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新型镍基高温合金磨削性能实验研究

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发表于 2010-9-12 16:55:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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x

1 引言

, p: f/ U" k0 H
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。 - c0 I9 x7 q# P0 n: U: d! O1 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: " H: c, p7 v5 M5 N# f
    " a( t8 e! o: E# Y: D1 R4 C
  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); * t! q8 Y- a6 E. g, r: y
  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; 1 H' v0 G8 L6 b z8 I' I
  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; 3 ?* u) u, S2 g
  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。
( w" N3 h+ E: l9 n! e
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 U \8 e0 r# L2 P- u$ u- |3 U

2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能

) D; y0 Z: p2 h' K8 U5 S0 u
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。 5 s @ @1 y# m. B6 | x9 G$ Q4 F% y7 D1 |( W" Q6 ^3 P+ h: B% a% l; n' F% N; y1 e. w7 g' y N* D) U1 E$ i! M' }) o5 B' l4 @) ^7 B. K2 ?
表1 ВЖЛ1合金含量组成,%
元素 2 Q; b: I k. H" W4 J1 D. o4 K, kC 1 ~1 ~% {# p# Z8 ACr ; R" |3 q$ D: r5 g8 ~. e/ i W / z2 ^) ~4 }% v# g( R Mo , u" P2 c/ J6 s6 u; I# BTi * n, D5 T4 }) ]0 y, LAl 2 \$ G8 O: j( m. z7 \ Ni 2 p" a, E# Q4 F6 l, R Fe . ~6 @' q. B. T8 t2 E% r Q2 r5 V3 mB . Y# d o* X0 G: ?Si " {' d; D1 O# N7 v8 _ S 7 P! |2 V t$ D, C9 n% n P % w/ ]# E- W& ?' n, Z# j- w, R
含量 ' {4 A5 }! I8 r2 e( S( P4 t# Y 0.10-0.17 , |4 Q, F2 j! P9 K15.0-17.0 5 h5 X/ S6 J5 a" Z. Q8 `. U 2.0-2.5 : n+ R+ w" n! A& i$ x 3.5-5.0 $ a! n3 c+ C v; m6 P. s# ]2.0-3.0 . L0 k1 k# l4 M3 z 2.0-2.8 3 U& L$ G2 M% A u9 r8 I 2 j" b$ r0 l7 j) n4 Q% P% M≤3.5 4 S5 l# Z p% n) ~1 U. D) @& h, a ≤0.13 & o! c( X) h- x* _. \' Y ≤2.0 1 v* y! X" v' g& B ≤0.02 ; C& r/ N! A) l; e) Z≤0.02
1 p# w b- O5 K+ m

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

# q2 C' v& v4 M6 y" p* T$ ?. J
    % C A# K, [" j4 D) s1 m) A4 G
  1. 实验条件 ( q" X0 Z9 {- T
    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。 0 U/ `3 `$ p7 Z1 n! t
    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%)。 5 T; I8 B7 f/ v( ` U
    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。
    3 l/ {$ m' L2 u( L3 v, b( G& a
  2. 实验方案 % |5 P. N% i+ s+ ?1 E& d
      # T# p! ^) [$ v' ?# c. 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。 7 S7 \3 e1 d9 q: U 4 @2 g, [) |! g$ X# U- Y' u& S( m0 v- p( O- [ [3 x c5 x$ J0 }8 z0 ? e& h0 _& `8 O+ K% [! }- e8 g, J4 k$ r6 G! i& @+ G8 y3 V* L- ~4 |: ^* x' o9 F9 Y( m! ?* a) J2 K2 h% }! U* S; W8 _( J, C) O+ L O' o3 K7 {1 v! Z: g1 X& f. z# |9 b. V! v8 G6 N. C1 ~8 O& E; z. ~* R! `* C+ A: h0 N( u {; h# V" _
      表2 磨削正交实验及结果
      实验号 $ X3 G# J8 o' k9 o; B$ QFr
      mm
      " R2 Y9 G0 H# f1 D3 K) a, y
      Vs
      m/s
      2 t/ B( \* d& Z, u4 @
      Ft
      N
      - A' o' x# ?8 r' x5 H* s
      Fn
      N
      " ?' g) z( i' P* i: ?
      1 , ^8 V9 U7 w/ N0.01 a9 c( K( K+ r$ M# W17.52 : P" `: t7 {& V4 ^" x" H8 [17.45 - U* ]$ y! U7 b27.21 ( Q/ @! |' l# c
      2 # v# v! K: ] {* n: c! j 0.01 # T7 {* ~4 c; u/ K$ k8 U: H$ Q: L25.96 # ^( O+ t# j+ M* x4 D8 r) t) z' J12.60 / a# N( D9 L" W0 S+ n! l- b 23.22 , Q6 j+ Z& N+ ], |! S# @2 K
      3 % G% x& f% t4 U c% z; v" n, I2 e- Q 0.01 4 {4 f) ?6 p& J3 x32.45 ' d4 Z5 w$ o0 Q: r8 D1 E 7.97 $ s! u. ^7 t Q6 a3 u) W8 A15.64 9 X% O& i3 S$ f& ~
      4 + v! D7 T! B: I: J3 t$ l 0.02 9 r+ O/ D5 o3 I17.52 ; N Q$ w1 Y0 \7 l' A, I+ c 30.02 $ H. A0 `4 A9 z0 K7 W2 a 45.56 , o1 J! y) {/ T) q' t" ~: {' f
      5 ; @8 N& F. Y0 `7 X% U2 k) ~) R5 B. T 0.02 - n7 e' r6 e+ \ 25.96 * h- n' n3 ^5 d5 s; _23.05 . A9 ^- F' z% |: w1 ?5 v 39.46 % ^5 i$ K3 t9 T* w: K' C. s. h. h- O
      6 / Z! D; s7 y+ K M" W$ P0.02 3 l# s( M! I6 w: r- N 32.45 , a6 C3 `+ n# s& f6 m 15.72 4 a' m9 Y# p. C; m 25.74 : M/ V; n. f& L
      7 : } ^6 Y9 ~: m$ x0 T 0.03 f( c# u. }( I" O4 E( |8 N17.52 0 b3 C3 Q% J, h/ H' J 42.69 9 R5 W7 z6 b3 p62.30 0 a$ Q& e1 H6 z/ o: L7 u- T
      8 5 ~/ y C' X( r1 ?$ K* f 0.03 3 R: l, B0 {& @; Z2 v1 e8 v25.96 7 o) W7 B0 i# | 33.84 7 v/ t# x& {2 M: c! w 55.45 k& f' j$ f# o- f
      9 0 @" w- Z/ D8 M' f6 F; A0.03 ) s9 L( m/ a, w+ r8 U/ ? 32.45 * Y4 ]/ M0 ? u% p6 E25.92 $ h% A6 a/ E3 b; V& B# D44.49
      9 S# U* o+ t$ [9 K4 a6 K8 x0 F
    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:Vs=25.8m/s,Fr=0.01mm,VW=0.67m/min。 : j7 T# K7 c6 R( S1 w% [, p
    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。 ( X" a) C5 ] p; z
    4. 内圆磨削工艺实验 " u% Q! _# I" l$ w, j% F+ d7 Y' Q
      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。
    6 x+ ~9 @) j) }& {. H
  3. 磨削力经验公式 / |8 P2 W- S- U& Y
    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 ( T# K5 S0 w0 Z& F0 Y$ n
    Ft=104.32Fr0.924Vs-1.003
    Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741
    1 w, g7 h$ g# ?! u% F. C. O
    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。
    0 @7 C% [" Z. j3 l! l! `9 V& R8 e! c' K6 b* u- L9 s9 k( b& y- b' F9 y1 ?+ ?, y, t. ~% K0 t3 ?" C y0 p: C1 C2 r; @- G- v: k. _0 r, f l" q5 z7 q" G+ \/ o( E4 a$ W+ s6 q! _+ h8 B! E7 K8 m1 [4 A3 N# g* ?, a

    图1 进给量对磨削切向力的影响示意图
    # F) _: H/ G9 F5 k% y

    图2 进给量对磨削径向力的影响示意图
    ! a q9 [7 W4 b0 J

    图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化
    5 Q2 B% ~, C: e0 i3 W6 E s' T

    图4 采用CBN100#磨料时磨削力随磨削过程的变化
    ( k) Z' X Z9 p

    图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化
    9 R4 X" ^* n" `2 j& G/ p) m
    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。
    / b, F9 o6 A, G/ L" ^
  4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析 ! O3 x7 A& E) s9 Q6 I: E4 s
      $ \' T& l; }' m' j
    1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程 - O, K5 y/ J. ~+ L4 y
      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。 2 `+ V& X4 I5 G% y. m* c
      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。
      6 R( d0 L. z( q/ j* P6 p8 [# A; H
    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。 , D. S1 o( P, d
    3. 磨削加工时磨削力的变化 1 {1 I x+ T3 L
      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。
    ' W3 Z9 P* d+ Y( e
  5. 砂轮的磨削及磨损状况 0 c+ b# _- j0 w, U1 } ] j
      ' n2 S, R* ^: H9 L1 d5 P
    1. 砂轮的表面状况 ) A- U6 A0 G: l2 Y* i, b* X- x% @5 H& v+ Q
      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。
      ; |0 R$ Q" Q" o' y
    2. 砂轮的磨损 $ P' ?/ Z* p- ~
      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。
      ) m7 a; w$ V# F9 s( ] Y6 B1 v+ l% T$ N- p& [8 i1 H* \5 c* H6 L1 l; L- ]/ {6 f! W* _$ l9 ]' Y. {4 ^& c) b. u) [+ \8 @; L: C5 `5 f! `. Y1 O! ~- S# r# F
      表3 磨削比
      磨料 " Q$ z: d3 H/ h# l8 d& \WA80# 0 K5 I# x6 O- L! s @ CBN100# % C9 g5 `( N1 k7 Y2 \( `% lCBN180# - Z& v+ T, c1 ^: _8 _; G
      磨削比(G) ; e3 F: C j& @7 s1.174 3 F) H0 M7 M2 Y5 |5 O7 |8.92 ; N+ u% g; {+ L! s$ I2 X8 e0 {; S1.11 2 W2 Y( N) ?# z L% u
      注:磨削条件Vs=25.8m/s,Fr=0.01mm,VW=0.67m/min。
    ! [, [2 ~* p9 Q! q3 b
  6. 磨削表面加工质量 1 J. S$ H' D/ I8 ]
    磨削表面粗糙度与砂轮的单位面积磨粒数、磨粒分布及切削痕迹有关。在本次实验的粗糙度测试中,在相同条件下用三种磨料分别对高温合金ВЖЛ1和K24进行磨削,其磨削情况的对比见表4。对高温合金的有进给平磨磨削中,CBN砂轮的磨削质量没有明显的改善,尤其在使用CBN180#的加工中,表面质量有所下降,说明在有进给加工中磨削效果较差,建议在生产中的最后精加工工序中采用精磨或无进给光磨,以提高其表面质量。 + h) w1 S" N; G2 \* D2 Z- R0 a& O) \- W; b+ B' ^0 I. j3 x; k! H3 _0 q7 q+ \8 r8 v+ I5 |# r' _1 M+ L5 m7 Z+ F* ~; J- C! z9 P* R; E. U: t, C1 D. V6 D0 h5 U. b
    表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm) ) U2 S) K; M+ j3 V4 S, W1 Z
    高温合金 # s2 K. b7 f$ H: f4 u- V 磨料 1 M$ u, d/ [) |
    WA80# * H& M6 y' ?4 ^" w) xCBN100# & A9 a6 c* I9 |/ XCBN180# 6 P, @. |! o5 S: B, n
    ВЖЛ1 * J0 C8 g' E/ v) s1.06 " j4 u! h$ s+ Z7 W1.0 * e( ]: [& x' X( L5 v, @6 ^1.93 * y# z# y! v1 ^
    K24 7 c0 |7 ^6 C/ ?7 J1 V. M5 q6 M% c1.01 3 Y$ K O2 u) Q( a 0.886 % N \# G9 N( I1 x; e% C 1.43
    2 b) q/ d4 Q8 p9 q* S5 h, ^& l5 W3 D
  7. 内圆磨削工艺实验结果及分析 ; z" N: W/ V% K& J! }
    在ВЖЛ1内圆磨削时,为应用CBN砂轮提供实验依据和经验加工参数,特别用两种CBN砂轮对孔径为f的试件进行了工艺实验,实验结果见表5。从表中可以看出,用CBN内圆磨砂轮加工ВЖЛ1高温合金表面质量良好,粗糙度有明显的改善(<0.7),建议采用的磨削速度为24000~30000r/min。
    : \1 o# |" s" T7 Q1 \) a. u; `
  8. 磨削加工中磨削液的选择 d% c5 T& [; {+ H1 p" r& T! V( V6 W Z: ~1 B, K, w5 G5 `$ i% O) u' [7 A- c$ l! Z, f+ c! [/ D# |3 ^5 z( `, D& H+ X5 X# W2 r* Y8 {. }. p- g1 {6 ~8 _+ D, `) w1 N2 }; \' ~/ \* k, J# |& X8 ^$ v/ ~/ c, J% Y% B& w1 D. y" y4 d- f% C- g) u5 j9 s& E
    表5 内圆磨实验的表面质量
    实验号 ; J: j, y7 N( n+ x4 F/ A# {+ e: ~! a; HRa (µm) : F7 R, V' Z: ?: K% t
    a 4 d3 q9 U9 z' s" ^) Y3.72 X) [% t2 c Q# p$ Z
    b " \8 `6 f% x# Z0 ?. Y# I G1.35 ! [: z# |6 V$ ?" S
    c L# j! [; S; W9 I1 M$ I) G 0.70 / C$ ?8 Z2 v% Y! |" j- a) R
    d " O6 Y( k; G; x& F! A0.168 1 Z8 l; \( c4 h. E% Q1 }; B. ]) r" 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。
    5 G7 l' c2 ]0 Y1 F1 O" G
    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。
    % _, s5 ?1 q& `. A( _; b7 y9 ?. @
  9. 磨削用量的合理选择 # Y4 ?1 { J/ ]; {# q
    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。
3 Q$ u6 j% g8 I* i

4 结语

, ~7 N9 M" i* w8 A" H* s* F
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。
8 c, u2 T* B% R( b- S
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