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。 - 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

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； 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。

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

) 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s_b≥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 ^* 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, k

C 1 ~1 ~% {# p# Z8 A

Cr

W

Mo , u" P2 c/ J6 s6 u; I# B

Ti * n, D5 T4 }) ]0 y, L

Al

Ni

Fe . ~6 @' q. B. T8 t2 E% r Q2 r5 V3 m

B . Y# d o* X0 G: ?

Si

S

P

含量

0.10-0.17 , |4 Q, F2 j! P9 K

15.0-17.0

2.0-2.5

3.5-5.0 $ a! n3 c+ C v; m6 P. s# ]

2.0-3.0

2.0-2.8

基 2 j" b$ r0 l7 j) n4 Q% P% M

≤3.5

≤0.13

≤2.0

≤0.02 ; C& r/ N! A) l; e) Z

≤0.02

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

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%)。 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。 4 @2 g, [) |! g$ X# U- Y' u& S( m0 v- p( O- [ [3 x- ~4 |: ^* x' o9 F9 Y( m! ?* a) J2 K1 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$ Q	Fr mm	Vs m/s	Ft N - A' o' x# ?8 r' x5 H* s	Fn N " ?' g) z( i' P* i: ?
      1 , ^8 V9 U7 w/ N	0.01 a9 c( K( K+ r$ M# W	17.52 : P" `: t7 {& V4 ^" x" H8 [	17.45 - U* ]$ y! U7 b	27.21 ( Q/ @! |' l# c
      2	0.01 # T7 {* ~4 c; u/ K$ k8 U: H$ Q: L	25.96 # ^( O+ t# j+ M* x4 D8 r) t) z' J	12.60	23.22
      3	0.01 4 {4 f) ?6 p& J3 x	32.45	7.97 $ s! u. ^7 t Q6 a3 u) W8 A	15.64
      4	0.02 9 r+ O/ D5 o3 I	17.52	30.02	45.56
      5	0.02	25.96 * h- n' n3 ^5 d5 s; _	23.05	39.46
      6 / Z! D; s7 y+ K M" W$ P	0.02	32.45	15.72	25.74
      7	0.03 f( c# u. }( I" O4 E( |8 N	17.52	42.69 9 R5 W7 z6 b3 p	62.30
      8	0.03 3 R: l, B0 {& @; Z2 v1 e8 v	25.96	33.84	55.45
      9 0 @" w- Z/ D8 M' f6 F; A	0.03	32.45 * Y4 ]/ M0 ? u% p6 E	25.92 $ h% A6 a/ E3 b; V& B# D	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。 : 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 F_t=10^4.32F_r^0.924V_s^-1.003
   F_n=10^4.00F_r^0.823V_s^-0.741 1 w, g7 h$ g# ?! u% F. C. O
   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。
   0 @7 C% [" Z. j3 l! l! `- b' F9 y1 ?+ ?

   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。
   / b, F9 o6 A, G/ L" ^
4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析
   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。 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。
   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. 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。
   ' W3 Z9 P* d+ Y( e
5. 砂轮的磨削及磨损状况
   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。
      ) m7 a; w$ V# F9 s( ] Y6 B1 v+ l% T$ N- p. 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#	CBN100# % C9 g5 `( N1 k7 Y2 \( `% l	CBN180# - Z& v+ T, c1 ^: _8 _; G
      磨削比(G) ; e3 F: C j& @7 s	1.174 3 F) H0 M7 M2 Y5 |5 O7 |	8.92 ; N+ u% g; {+ L! s$ I2 X8 e0 {; S	1.11
      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; b3 _0 q7 q+ \8 r8 v+ I5 |# r' _1 M+ L5 m7 Z+ F* 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)

   高温合金	磨料 1 M$ u, d/ [) |
   	WA80# * H& M6 y' ?4 ^" w) x	CBN100# & A9 a6 c* I9 |/ X	CBN180# 6 P, @. |! o5 S: B, n
   ВЖЛ1 * J0 C8 g' E/ v) s	1.06 " j4 u! h$ s+ Z7 W	1.0 * e( ]: [& x' X( L5 v, @6 ^	1.93
   K24 7 c0 |7 ^6 C/ ?7 J1 V. M5 q6 M% c	1.01	0.886	1.43

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。
8. 磨削加工中磨削液的选择 d% c5 T& [; {+ H- g1 {6 ~8 _+ D, `) w1 N2 }; \' ~/ \* k, J# |1 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; H	Ra (µm)
   a 4 d3 q9 U9 z' s" ^) Y	3.72
   b " \8 `6 f% x# Z0 ?. Y# I G	1.35
   c	0.70
   d " O6 Y( k; G; x& F! A	0.168
   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。
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。

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。