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新型镍基高温合金磨削性能实验研究
作者:王殿龙 陈劲枰 庞继有 孙安有 张川
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磨床/珩磨设备展厅
平面磨床, 外圆磨床, 无心磨床, 内圆磨床, 万能磨床, ...
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:

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;
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

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。

表1 ВЖЛ1合金含量组成 %

元素CCrWMoTiAlNiFeBSiSP
含量0.10-0.1715.0-17.02.0-2.53.5-5.02.0-3.02.0-2.8≤3.5≤0.13≤2.0≤0.02≤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%)。

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

a. 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。

表2 磨削正交实验及结果

实验号Fr
mm
Vs
m/s
Ft
N
Fn
N
10.0117.5217.4527.21
20.0125.9612.6023.22
30.0132.457.9715.64
40.0217.5230.0245.56
50.0225.9623.0539.46
60.0232.4515.7225.74
70.0317.5242.6962.30
80.0325.9633.8455.45
90.0332.4525.9244.49

b. 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。

c. 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。

d. 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

Ft=104.32Fr0.924Vs-1.003
Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741


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。

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。


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

4) 磨削力随磨削过程变化的结果分析

a. 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。


图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化

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. 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。


图4 采用CBN100#磨料时磨削力随磨削过程的变化

c. 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。


图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化

5) 砂轮的磨削及磨损状况

a. 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。

b. 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。

表3 磨削比

磨料WA80#CBN100#CBN180#
磨削比(G)1.1748.921.11
注:磨削条件Vs=25.8m/s,Fr=0.01mm,VW=0.67m/min。

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。

表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm)

高温合金磨料
WA80#CBN100#CBN180#
ВЖЛ11.061.01.93
K241.010.8861.43

7) 内圆磨削工艺实验结果及分析

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。

表5 内圆磨实验的表面质量

实验号Ra (µm)
a3.72
b1.35
c0.70
d0.168
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。

8) 磨削加工中磨削液的选择

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

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。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/12/2005)
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