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：

2 l- e9 c. E* ~
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； - Q X3 o' v& {: W3 p' 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；
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。

8 p1 U5 k1 x* x T: J" @

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。 ! ?( a9 b' b# W2 V3 Q: O$ Q

2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能

# Y: z, }8 ^4 a7 y' v: q; B

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 A8 { {7 ], Q5 z3 r" B8 r/ w$ s0 W- T l: L! T% B8 _6 O8 Q: Q3 s$ q$ }

表1 ВЖЛ1合金含量组成,%

元素 / ~, v$ w5 `- G+ t

C 1 C$ c5 p# y% L% h: ]2 P

Cr ' V2 B: e$ Y" C2 X! b% n F

W

Mo 9 @8 I; l/ M, r, e, u

Ti , h* i$ M: i5 m

Al

Ni 3 d# R `: K$ E6 Q

Fe $ F1 W v4 c* V5 p

B 8 L t0 a7 W: J6 F, C9 ?

Si

S $ t" R0 G1 M$ \0 z

P

含量 9 b" I8 T4 I1 l5 y) e' H

0.10-0.17

15.0-17.0

2.0-2.5

3.5-5.0

2.0-3.0

2.0-2.8

基 7 o c! _9 t$ U+ j _- C

≤3.5

≤0.13

≤2.0 0 X( s, }7 I. r4 O

≤0.02 ; `" y: V5 Y7 ~# n% o

≤0.02

* k1 ~5 d i9 n& p

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。 0 R- Q( b. J5 g0 d
   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
   - J* h; z. a7 ^2 B: \
   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。 + ]6 b/ t2 R- u9 r, H7 W1 S2 y7 u h$ {% |1 D+ t% A; B- _+ B4 a9 H. [/ t, @" h: W( w- d, ?- W: q( `! w% N$ G3 b0 i( s3 h5 M) l$ N! Y) p! w/ D* N: V* b0 K1 D& L' i5 T6 B9 X- C) W6 |' y* w* p1 M1 p

      表2 磨削正交实验及结果

      实验号	Fr mm	Vs m/s % @* F7 h; q F& T2 d A	Ft N ) F( n" A8 ~6 w: }1 N4 K) I: h3 F	Fn N
      1	0.01 5 l3 L7 v2 y" j* k; K	17.52 $ r: H: E- P3 W	17.45	27.21 ( b5 x6 q, H* u$ l! o5 i0 M6 ^9 f
      2	0.01	25.96	12.60 % I u# u, J, G/ @# Z S	23.22 ! P3 K8 P" t( a& ^% s; s( W5 |
      3	0.01	32.45 1 `: e: E( p1 \: ~, A; d	7.97 $ K! e0 V9 I; Y: K, B	15.64
      4 , w* [; u3 I9 m1 x	0.02	17.52 ! R' O, E4 ~+ m2 X& m	30.02	45.56
      5 2 H, z0 v) `$ N# j	0.02 3 ]- C' G9 X+ H: g S! b	25.96 0 t' j2 p& E* e& _1 D$ U	23.05	39.46
      6 # ^- ]$ R8 V' g5 F	0.02 9 v% `* \& R3 c+ ]- g	32.45 1 A. ~# v) l" y$ ]	15.72 ' {2 R4 _4 I% B; N4 @" W	25.74
      7 , V& j. N: g0 s# B' ^2 Y	0.03	17.52 0 h* H2 e) p5 j: D4 p: _. h r	42.69	62.30 " b9 \7 r- m8 P+ {0 O; x* O
      8	0.03	25.96	33.84	55.45
      9	0.03	32.45 4 a0 S8 h: d5 m6 _, J	25.92	44.49

      0 P1 h2 Y; k2 a
   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。 * x& O1 j2 ^6 U! A
   4. 内圆磨削工艺实验 : p5 k# [' _/ a# M; T [
      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 3 y7 h' \2 {: P3 s
   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 " e9 s6 P9 I8 Q5 {! ^- a. `F<sub>t</sub>=10<sup>4.32</sup>F<sub>r</sub><sup>0.924</sup>V<sub>s</sub><sup>-1.003</sup>
   F<sub>n</sub>=10<sup>4.00</sup>F<sub>r</sub><sup>0.823</sup>V<sub>s</sub><sup>-0.741</sup>
   式中F<sub>t</sub>、F<sub>n</sub>的单位为N，F<sub>r</sub>的单位为mm，V<sub>s</sub>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<sub>W</sub>≈0.67m/min。
   8 u; n7 _+ H1 w# `2 [* p! f5 L K1 K5 x! k, B, \1 R5 E- e$ e& _& Y% t' Z2 G8 v" y0 n! l9 c- ]% Z' `5 B: x+ D: E8 x8 g- B E9 k# _ Z8 g, _( c1 g% M; W. R

   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 5 E" Q2 B7 I$ f! w9 L) e( t8 Y

   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

   2 C% u q; ]) @; Q
   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。
   ! D1 o) J& o* j& x' e# z' c3 I& r
4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析 8 }+ I! K* u/ b, g2 J% I3 F9 p% V
   1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程 6 E: |3 x/ m" @5 `$ M5 k: @
      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。
      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。 + g6 d- R4 D& W8 Y
   3. 磨削加工时磨削力的变化 1 C5 y0 z3 ]1 m" r
      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 o0 q6 g Y" X2 O" o8 b! z1 Q ~
5. 砂轮的磨削及磨损状况
   S& A& A, d! B8 Q4 K+ s
   1. 砂轮的表面状况
      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。
      8 G# z! p0 H2 e* \5 P! D z$ F
   2. 砂轮的磨损 # Y* k# e/ P. I& I I
      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。
      , m8 w t0 L2 r4 K$ ?3 V8 D A* L1 K+ [1 H( B9 o$ p# U9 Q* I- G ]4 N8 W. s1 u; w0 B3 |5 q. h$ p( a h0 P, Y/ F' h

      表3 磨削比

      磨料	WA80# , q+ c. o! Z/ z8 ]	CBN100# ]; S5 K! F" l) U9 u	CBN180# # B( c/ w' o( }0 G8 M c! ?
      磨削比(G)	1.174 ' A8 q# A6 {) o% f/ \7 B	8.92 9 y* x2 `3 m9 H4 I	1.11 4 _ c" v6 a. A- A
      注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。

   ' i& g) l- m& e: l/ E# ?2 e
6. 磨削表面加工质量 " [ A# H' ?( O5 S: f3 k
   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。 ' ]4 I$ U) r, f9 E) r0 Z0 V! p! R, N o. u

   表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm)

   高温合金	磨料 : K: t5 _. R o! G8 Y1 G: l
   	WA80#	CBN100#	CBN180# / i) h9 [9 b3 m+ L/ \: _- ]
   ВЖЛ1	1.06 + H2 n# M/ z4 R% H" y W. G; S/ [	1.0 + b* c8 i' Y& @% j	1.93 + X( q; C- _8 U8 b5 u W
   K24 % G" Y$ C" {5 @/ ^. p4 [	1.01	0.886 & ^0 N$ j8 e, A	1.43

   * C* {! ~$ d4 N9 v
7. 内圆磨削工艺实验结果及分析 1 z* l# v9 y9 ^: f& 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 ( [' G4 ~" E" z/ i! q

   表5 内圆磨实验的表面质量

   实验号	Ra (µm) + M1 ~# Q5 U% G
   a	3.72
   b	1.35
   c	0.70
   d	0.168 : }% V8 n- O. |8 e, B/ x0 V
   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。

   9 ^' F6 [( Q) U& E7 t9 Y3 A
   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 8 m3 Z3 T! e: ]3 X) F& `
   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。

) H% i% ]$ U4 S& }) ^5 @3 F9 p* y

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。