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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

$ 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: 0 l! \" b9 x# C' Y: R/ S
    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); & J: y" \# n9 b$ a3 k2 v
  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; 6 m. Z' P- N2 D5 {' m. S# r* g
  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。
* ^. x- [' O4 o
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sb≥670MPa,布氏硬度为300~600。ВЖЛ1各组成成份的含量见表1。 0 A5 Z/ a: e2 B4 T$ @ , n, s4 Z2 J o( {6 \" `* ?: E# l* I# N+ Y* n: [! p& N8 L8 l, x4 s' H2 c, O" N: j: ~ t% Y% C1 ^3 _6 {# A2 d" u8 `& R6 d: \- k9 G) \% B" N
表1 ВЖЛ1合金含量组成,%
元素 6 {- q) }: Z% N8 N! B4 j% j C ! j! P4 \ i! r: B3 W GCr 7 s- |# q: `; `0 u$ kW : l& s6 w5 ^3 U$ \4 H Mo ! U+ i% T( r% |0 I0 p. h5 k% Q+ H Ti " A4 ]) g. R. ^# V$ _: XAl # l5 y- X2 A l% W- uNi - O, a% e2 `- p2 [# n+ D3 c4 ~* {; U W4 n Fe / V, j# G D, ^B + n L- V2 @2 d% D: w- h @Si ' i2 o* C" \! X# M S ) v( x/ ?% q) G, ]: U3 k# z7 Y; f, RP ; x9 y5 [. k/ s) r# u7 s+ [
含量 # f4 Y% A9 S8 I. N0.10-0.17 # B2 ~( A1 P3 P; M4 t! D6 s2 a 15.0-17.0 ; Z& w1 [% k" N# z+ U8 Q8 W) k 2.0-2.5 ( V4 |2 W4 K# G; z3.5-5.0 & A6 x7 q' A7 Z 2.0-3.0 0 _" d4 T& Z* @" s: C5 G 2.0-2.8 & K+ d) H3 M+ O e - R- t0 N7 V$ @4 U2 x& s ≤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 k. v* O ~' S0 i7 b. I ≤0.02
1 o \$ U/ n7 [. s

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

1 Y$ c8 M! p% t, n+ Y
    ! a Q; }/ T/ Z! g) H% w: U
  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。 & x8 S* r' R/ ^4 U s
    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%)。 $ E+ A! H3 v8 r0 ?
    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。
    1 ~+ l9 D/ `3 s( W9 r
  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' m* A. W' p5 f- a" d0 d8 c8 U4 o+ U+ E! N; O8 ^+ F: n1 |5 F7 w' F2 R; [2 P7 |% n6 a" q- ^; B! y7 L9 Y' r C. f! m# L- O; ` Z# @% i9 V$ W* F. R3 q5 D 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 Y% o5 i, ~4 _! [9 D" Y7 I3 @# [ |4 U, e. {' F, s
      表2 磨削正交实验及结果
      实验号 ' q$ S/ N5 U6 j, WFr
      mm
      2 ^% g6 ]+ u% x- O9 h
      Vs
      m/s
      X; u5 X* s+ d% j! R4 f4 H( X
      Ft
      N
      $ \% p/ |& w) J- t" {+ E, E
      Fn
      N
      / J4 w7 a' f0 Q9 W' n6 n
      1 # E5 y2 r- F$ k" _ 0.01 ) w$ `$ }* A! n0 f a, s) R 17.52 0 t9 r9 [0 w9 W4 | 17.45 * j* T: O6 K7 V3 p; K9 U6 z7 j: K( @27.21 , T) o5 G0 t% R, z4 z' N
      2 . {9 N: U O! Q 0.01 1 G B- C2 K' |$ a B2 _' [, A+ l25.96 4 u. w2 G: _& O/ J+ k 12.60 & v& n, |: q. l+ e- X& \23.22 . i- i, y; u9 b$ J6 l, r# z
      3 / N! K, M6 d6 B Z: c1 F4 S. Q0 s0.01 * ^" r- K( l, O! x 32.45 9 g- i6 h; Y* _; X U0 z7.97 + ^9 C& F4 F u0 m: Y, T15.64 / ^# h3 I( p( w5 w/ p. J
      4 4 o$ N9 p3 G6 b2 z 0.02 4 j& s0 G ~2 t. C: i17.52 ' _& W: w, v* ~1 z( C! g 30.02 8 V$ U; K; j$ |1 \4 t45.56 9 v0 `' U7 ~/ Y3 E
      5 * ?" F7 c f; p9 a! x: d! ^ 0.02 2 v: c+ Q' A4 V P3 j+ x' R N 25.96 0 }; P! v) c( ]$ [. _7 i 23.05 ( t2 e+ a/ G7 q39.46 # p+ z2 w9 [$ w7 Y( T3 s3 r
      6 ; F9 {: V# V% W% K" Q6 T 0.02 5 k( Z& P" B" {; H' Y 32.45 # b7 ^5 {6 |+ \! w 15.72 6 }! q; x$ j' N 25.74 ' F- S7 w0 _" p7 ^6 ~0 E8 t4 \+ `
      7 " C! m- c# w6 b: @. e* ? 0.03 ' Z( R2 o7 d5 ^17.52 3 \# s W; D# |/ h9 B; r6 t( c; @* O. N. F! S42.69 / V( M2 n2 E5 Y1 {# {5 n6 q3 G62.30 3 Z7 _# `( n5 s) J1 V* G2 R6 [
      8 / ^: N* q. v3 H. I 0.03 # i1 [9 N$ l$ B: H) i+ t; D5 f# R25.96 ' l! O% d/ n }5 Q; }; a 33.84 9 H# g* k1 B6 R; I 55.45 - H" |; `. t. v
      9 2 T9 f' o* }2 P) ^ M4 k1 F% u4 | 0.03 ( O. Q4 X3 D1 b 32.45 : |- X0 P+ ? Z* G% b- O 25.92 % N2 z$ D% h8 V 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:Vs=25.8m/s,Fr=0.01mm,VW=0.67m/min。 8 d5 f0 j4 S' T- x5 \+ L3 ?% v
    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。 ( p0 v5 |3 c8 f4 y
    4. 内圆磨削工艺实验 4 F1 P: [1 ~5 K; @: q. \. s
      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 8 t4 \8 A8 A1 H+ ^
    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 ( C3 Y4 g7 R. M: m I2 Z. d+ g
    Ft=104.32Fr0.924Vs-1.003
    Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741
    3 _; C5 c/ f$ c( y' u
    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。
    + o. U( q" X. ~* K* }& | 5 e: g6 j% U. I! r/ I* H. `) f4 G; K! s! V0 _$ [& z9 T: o0 d6 I! U! K: H6 H! b: E4 q S( G- I, z g& \5 b) o% |+ K) J% z8 b+ m8 v. J- U& u E

    图1 进给量对磨削切向力的影响示意图
    & \2 K" X! J' W3 F( y

    图2 进给量对磨削径向力的影响示意图
    ' u' P+ k, G* u) B- r3 V- e

    图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化
    2 Q/ [* [8 |' l, C+ ]3 U. d# }

    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
    3 j1 A% ~0 P2 U: y
    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。
    % N, `3 n: ?) F% K$ F) [+ s
  4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析 6 T) c6 w" O: m+ a# x/ V# F2 M
      : 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。 ) 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。 ' 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。
    * i( p7 N5 s( ~
  5. 砂轮的磨削及磨损状况 1 Z" ~( r5 ^. a
      - 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。
      " 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。
      p8 i7 r* ~9 [+ P 8 C/ ?9 Z! ]4 z" V' A& r# _ n0 [3 \" ]' d2 L) a0 ~; F! r6 `: e7 s: K, x) r2 g; F y0 Y7 v- t3 K4 t+ x' h3 Y/ e8 L* I) J' I, x- Q; t- X7 @9 M& ^0 `: j, C; y
      表3 磨削比
      磨料 % {1 `8 K [7 R3 N4 x WA80# $ j1 W, ^0 }: @) i1 P/ aCBN100# * o% E$ {1 v! C; F. P L) O! j CBN180# 7 S) X; [# Y0 a( D: }4 H6 l8 |
      磨削比(G) ) d$ \& M9 M! ^( E 1.174 5 N: o1 @1 U8 i$ v9 D 8.92 2 H7 m, \2 `8 R; h/ i" B: G1.11 0 L+ ^3 c, m! o5 i K9 H
      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 5 s, h& e# k( x$ ^( ]' w
    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。 / C, t$ L9 _3 Z/ Q: H' k& U - p. @$ H3 ~; x# [9 H: j' \" p/ |. r O/ F5 s3 {' g2 g9 z7 Y5 m9 O- b9 F- ?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) ! v& R1 ], `3 x: ]( m8 G
    高温合金 " g) @% ^1 l" h磨料 - r# h B4 w# y/ @) X; ?5 ^
    WA80# 3 N" d* g6 z3 W0 O, T* }CBN100# " L( D, `! W4 Y) \2 j1 @! H0 zCBN180# ) ^8 V4 K0 m, R9 @
    ВЖЛ1 1 C' R" L2 ^& [+ `1.06 ) {& _0 f3 E4 N1 F, ?1 _ 1.0 8 y# r, ^/ a; ? 1.93 + J0 s2 n2 F" U# A" g3 ~
    K24 - K' a. v( u& t6 ^( y1.01 ! ~. S3 i- a& V; u! R' G0.886 3 J) J: [. @4 r. W! d1.43
    L- X: h9 p5 o% N
  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。
    : c3 B" g" x4 ^# r3 Y4 X, f+ X
  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 [ K" e' E2 Z# b1 M- P* M# O0 I E, q( V6 b( s) y, l0 d$ O- c. ]7 c0 b/ V* |8 M
    表5 内圆磨实验的表面质量
    实验号 + ?( h& V: D1 y/ E* b5 Q$ K u4 {% g Ra (µm) 6 g9 w. G! X, W' E' {0 v n
    a ' K) h" M/ k/ h% | 3.72 ' o+ F9 k: g3 S$ C
    b 8 x, U7 p9 U/ g/ |, v3 s/ q 1.35 ! p4 Z/ ^- t3 t
    c 9 V: Y. u% S, @ A9 r% A. [& `( d% D 0.70 4 v$ |3 Y, Z J* @1 i# [ `
    d : S- K! m9 Y# e' z1 e 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。
    & F t$ w' r6 u; c& L
  9. 磨削用量的合理选择 1 }$ K: L5 _6 I1 r4 C
    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。
# W; j1 a5 T8 R, @) L" o$ d

4 结语

3 {5 x2 s) b G4 Q- M" }# z2 t
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。
! K' z; Y c$ p ]6 A+ j
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