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。

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： 4 k4 W+ Z0 R3 {; z" f; h

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； * \! I7 h8 Q. {
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； 9 n( T9 S8 V8 T+ m
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。 7 c2 u. m1 K1 V( e

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。 8 ]* v7 ?: e& O Z* h4 h0 [, t" l0 y" Y5 }% W* w9 f0 d/ `* A' F

表1 ВЖЛ1合金含量组成,%

元素

C - G! {3 Q$ _% k. i$ P( _+ ?1 l

Cr

W / C4 V! I$ D8 r, e. s( c

Mo

Ti 7 Q3 M+ A Y b6 h

Al 6 h' x0 m; {6 ^/ U5 [1 H9 f! V

Ni

Fe ) ?' a9 Y, I9 `" u1 r

B

Si ! o% p& ~( k) c; o ~

S

P " D1 j( R2 x# E9 p

含量

0.10-0.17 ! Q5 L9 B W6 i5 a4 W

15.0-17.0

2.0-2.5

3.5-5.0

2.0-3.0 : a7 E) O* i H- s* f& C" J

2.0-2.8 1 H. k& S( d$ N' v2 Z4 K

基

≤3.5 7 W7 t# J' c" L

≤0.13

≤2.0 4 X0 f* g8 V# W! d' m6 f1 @

≤0.02

≤0.02

3 ВЖЛ1磨削性能的实验

& O5 O* `; A& f+ R; I
1. 实验条件 + [! m7 `! A& q7 A9 D, v
   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。 9 l! m: D: U% M: r
   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 8 A: i' Y: Y- k7 q+ u8 g E
   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。 + d7 c3 Q5 }6 ]# n/ P3 T8 _5 E- e5 f( ^. W: Q* B3 I3 Y" s! N' a* W* S' z- f& h7 |6 C. W# I+ A% ~4 T$ E- P A: c) n E, t% Y. W$ T8 X5 w, a7 y

      表2 磨削正交实验及结果

      实验号	Fr mm & }6 p; G- j, f& d# j" P, @	Vs m/s	Ft N 3 ?& h0 m z$ `- q# B. j5 i& Z	Fn N + `% i5 P. _" k2 I, i$ P5 b
      1 # n% }/ A' x% L: e! k4 e M	0.01 6 {0 j' W6 m% p1 h, R. F	17.52	17.45	27.21
      2 0 ?2 D w0 @! N1 {; Y; v$ n	0.01 ' u8 r) e `. Y0 q! R0 `6 `	25.96 . q+ c8 M4 ?. v5 O$ A/ A	12.60	23.22
      3	0.01	32.45 6 b4 q& {9 F5 U9 s	7.97 * Y0 a- V+ w: u2 J) r2 h/ y; c	15.64 6 m7 t9 n i6 }/ b2 { f: U9 C2 }
      4 " N3 `4 y6 L7 [7 r1 l4 P	0.02	17.52 * G# V) R5 X! F: M( F: D! C' \	30.02	45.56
      5	0.02	25.96 ( g4 _' A2 Q7 d	23.05	39.46 / K! Z5 }& q9 g/ @& n: z
      6 ' r3 W& B v( w% c/ {" ^9 c; i# F	0.02	32.45 7 I F; h6 i. y* i& w	15.72 ; I! t7 ^' r3 u* a* E	25.74
      7	0.03 6 d( J) n( r. E7 B! h. ]	17.52	42.69	62.30
      8	0.03 4 T3 N) O( ?9 D [	25.96	33.84 m/ [# X3 Q' q* o	55.45 . T6 l+ u. B( @* L
      9 0 a6 | y) Z# v) r" Y1 P	0.03 5 g, O( O( @ I5 m7 } z; X	32.45 6 Y$ G9 ^( t: j i1 d	25.92	44.49

      " e2 P2 o3 h" o3 {1 R2 b
   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。 ( X; m5 D8 z" ~7 v. h! s1 c3 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 6 t2 Y6 j( E8 w5 V+ e* ]0 t0 h
      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。
   1 l5 _$ L& s( D% \* ^
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 5 p X* o# M( N8 H8 JF_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。
   ; n, X* G6 s! Z: G* v+ r% M E5 q5 C ^2 F- g- X7 u- @+ l& P& }" f& d1 F$ Q! K, f2 U( b5 Z7 l. S

   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 0 n- I, [# v% ~. @& r, r

   图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化

   6 i6 Y! X% @( ]7 |4 G x2 _/ P
   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。
   & q& z4 K% P s8 ^2 e
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。 7 E! Q( w% M* `1 O
      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。
      * B, M7 |$ z) Q+ T/ G* X2 u
   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
      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。
   " ^$ ^+ p; Q) ]$ G* O' q7 L5 t
5. 砂轮的磨削及磨损状况 ; [/ ]0 T, p- I3 M
   1. 砂轮的表面状况 ! E- M* X' f& U( o+ t8 t5 z( V; _
      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 ; Y3 j* `7 r X6 J
      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。
      4 k' r( q6 T& }) X: {/ r/ D+ [; {, E: C1 K3 I" V1 V! d6 e5 k8 J3 z" V3 u3 i& J) v3 H7 `. j7 n5 J7 a

      表3 磨削比

      磨料	WA80#	CBN100# . Y8 }9 R& |; z% ^	CBN180# + c Z2 @2 I0 l: ?' y0 d' \
      磨削比(G)	1.174	8.92 + l6 X3 w. F" r( |, U+ c	1.11 U: s j+ b; g# N
      注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。

   ; u2 M9 ^! E% v
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。 3 T/ x3 P' R1 z1 Q5 V0 E& W, l, }" {% l7 ]: i$ V7 q$ P" ]. \( S5 f' {+ c8 L3 V) h' f+ ?5 P E9 c, \: O! q* k$ W/ O I

   表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm) 5 S3 x: n- o0 y

   高温合金 3 X y' E+ f: ~9 H* X	磨料 E' K$ C/ s6 V5 R+ B
   	WA80# & q/ P3 K$ c+ p3 D) @	CBN100# " K$ w. U6 a& I, R, x9 W	CBN180# " Q. P& A$ }2 l: L# i. `
   ВЖЛ1 1 e, F- a2 ^% i! ?) X) A	1.06	1.0 0 b: E; z5 U0 Z9 s! n# s7 W	1.93 # u# D6 }/ F# ?% [9 H0 ]; p
   K24 % U) f* m; _; v& P' _3 w	1.01	0.886 ! y n3 ~* \0 X& X2 P$ T# _( @	1.43

   9 D6 C# k# }% n: l% K3 h: `
7. 内圆磨削工艺实验结果及分析 % P& U* y# q+ q0 d
   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。
   / N' d. b( {. f
8. 磨削加工中磨削液的选择 3 d/ _. ~2 O7 x6 g- h' W! I: N1 m3 w X Q8 b$ U- c

   表5 内圆磨实验的表面质量

   实验号	Ra (µm) 6 k/ b# ~9 T; B. z
   a	3.72
   b ( U7 z3 j$ Y6 L	1.35
   c 8 K" `5 C) ^* ]/ z7 ^	0.70 ) |" [/ j2 F7 i: a8 ?
   d	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。

   % Y/ \# q9 X$ E- u, z3 k2 H# E
   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。
   . X3 J: `( A; t3 W- s2 i1 X, ~2 y# l
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。