新型剛玉砂輪磨削GH4169鎳基高溫合金的性能評價研究*

李本凱，丁文鋒，馬艷艷，肖 紅，黃慶飛，司文元，楊 嘉

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.蘇州遠(yuǎn)東砂輪有限公司，蘇州 215151；3.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司，西安 710021）

GH4169鎳基高溫合金以其優(yōu)良的高溫性能，如優(yōu)異的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、熱延展性、耐疲勞和抗腐蝕性，成為航空發(fā)動機(jī)盤/軸/葉片/機(jī)匣等核心關(guān)鍵零部件最常用的材料之一[1-2]。然而，這些優(yōu)良的性能也使得GH4169材料成為了典型的難加工材料[3-4]。砂輪磨削是鎳基高溫合金材料高效精密加工的重要方式，對于零件的加工精度和表面完整性具有重要影響[5-6]。但是，磨削過程中鎳基高溫合金也存在磨削力大和溫度高、砂輪磨損嚴(yán)重、功耗高等難點[7-8]，同時鎳基高溫合金表面極易產(chǎn)生硬化層、殘余應(yīng)力、白層以及晶粒變形等問題[9]。因此，深入研究鎳基高溫合金的磨削加工性，開發(fā)高效磨削工具和工藝對提高鎳基高溫合金的加工效率和質(zhì)量具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者在鎳基高溫合金磨削加工方面進(jìn)行了眾多研究。Qian 等[10]采用剛玉砂輪進(jìn)行了K4125 和GH4169的對比試驗，對兩種材料的磨削加工性能進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)同等條件下，K4125的磨削力和磨削溫度高于GH4169，工件表面粗糙度值也明顯大于GH4169；同時，磨削K4125時砂輪磨損比磨削GH4169時砂輪磨損嚴(yán)重。?y?ka 等[11]采用剛玉砂輪磨削GH4169，研究了砂輪線速度對磨削表面完整性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著砂輪線速度增加，表面粗糙度Ra值降低，當(dāng)砂輪線速度從22m/s 增大到25m/s，表面粗糙度Ra值降低了約30%；然而隨著砂輪磨損程度增大，表面粗糙度Ra值進(jìn)一步增大。Miao等[12]進(jìn)行了棕剛玉砂輪和微晶剛玉砂輪磨削GH4169鎳基變形高溫合金、DZ408 定向鑄造高溫合金、DD6鎳基單晶高溫合金的對比試驗，研究了砂輪磨損對工件表面缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)棕剛玉砂輪磨削表面的缺陷形態(tài)與磨削方向不平行，主要原因是晶粒的脫落和斷裂在磨削力作用下重新參與磨削，但是磨削方向不受控制；而微晶剛玉砂輪磨削時，大塊破碎和脫落情況較少，但由于晶粒的高延展性和硬度在磨削方向上產(chǎn)生了較深的微小溝槽缺陷。Yao 等[13]進(jìn)行了剛玉砂輪和CBN 砂輪磨削GH4169的對比試驗，結(jié)果表明剛玉砂輪磨削得到了較好的工件表面完整性，在磨削參數(shù)為磨削深度ap=0.005mm、工件進(jìn)給速度vw=16m/min、砂輪線速度vs=25m/s時，獲得的表面粗糙度為Ra=0.112μm。

雖然以上文獻(xiàn)對GH4169材料的磨削加工開展了研究，然而由于航空發(fā)動機(jī)零件加工效率與表面質(zhì)量的要求越來越高，目前廣泛采用的剛玉砂輪在一定程度上已經(jīng)難以滿足不斷提高的加工需求，因而亟需研制和應(yīng)用性能更加優(yōu)良的剛玉砂輪。為此，本文針對新研制的3種剛玉砂輪，通過GH4169材料磨削試驗對磨削力、磨削溫度、砂輪磨損以及表面粗糙度等進(jìn)行對比分析，進(jìn)而對3種砂輪的磨削加工能力進(jìn)行評價，為新型剛玉砂輪的研制與優(yōu)選提供支撐。

試驗材料與設(shè)備

試驗使用的工件材料為GH4169鎳基變形高溫合金，工件尺寸為25mm×50mm×5mm，其化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1和表2。GH4169材料在室溫下的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1502MPa 和1360MPa。使用3種剛玉砂輪進(jìn)行平面磨削試驗，砂輪寬度為bs=20mm。3種砂輪分別為粒度為60#的單晶和微晶混合磨料砂輪（SA/SGF60L6V）、60#單晶剛玉砂輪（SAF60L6V）和70#單晶剛玉砂輪（SAF70L6V），表面形貌如圖1所示。

磨削試驗在BLOHM PROFIMAT MT-408 高速平面磨床上進(jìn)行，最大主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，輸出功率為45kW。試驗裝置如圖2所示。試驗條件分別為磨削方式采用順磨，工件磨削寬度為5mm，冷卻液為5%的乳化液，冷卻液壓力和流量分別為1.5MPa 和90L/min；磨削參數(shù)如表3所示。磨削力采用KISTLER 9317C型三通道壓電測力儀及KISTLER 5018型功率放大器進(jìn)行測量，測力儀X、Y、Z3個方向的固有頻率分別為5kHz、5kHz 和20kHz，分別采用測力儀的X向測量法向磨削力、測力儀Z向測量切向磨削力。磨削溫度采用自然熱電偶法進(jìn)行測量，熱電偶由待加工工件、云母片和康銅絲組成。云母片的作用是使工件和康銅絲不接觸；密封膠的作用是在磨削加工過程中避免磨削液對熱電偶造成損壞；導(dǎo)線連接到信號采集器用以記錄溫度信號數(shù)據(jù)。采用Mahr M1 粗糙度測量儀測量磨削表面粗糙度，其中針尖直徑為0.2μm，采用高斯濾波，取樣長度為0.8mm。磨削力、磨削溫度和表面粗糙度的試驗結(jié)果均采用5次測量的平均值。工件表面形貌通過Quanta 200 掃描電鏡進(jìn)行測量。

表1 GH4169材料的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table1 Chemical composition of GH4169%

表2 GH4169材料的室溫力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of GH4169 at room temperature

圖1 3種砂輪表面形貌Fig.1 Surface topography of abrasive wheels

結(jié)果與討論

1 磨削力

磨削力是磨削過程中最重要的參量之一，它對砂輪壽命和磨削表面質(zhì)量具有直接影響。圖3為切向磨削力、法向磨削力和磨削力比隨材料去除率的變化規(guī)律。從圖3（a）和（b）中可以看出，隨著材料去除率的增大，3種砂輪磨削GH4169的磨削力總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢。隨著材料去除率從0.16mm3/(mm.s)增大到1mm3/(mm.s)，混合磨料砂輪、粒度60#的單晶剛玉砂輪和粒度70#的單晶剛玉砂輪的切向磨削力分別從27.3N、24.5N 和25.7N增大到102.4N、105.7N和81N，而法向磨削力分別從61.7N、60.6N和55.6N增大到390.2N、333.7N 和250.2N。在相同的磨削參數(shù)下，3種砂輪的切向磨削力和法向磨削力沒有顯著區(qū)別；而擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料去除率大于0.4mm3/(mm.s)時，粒度60#的單晶剛玉砂輪的法向磨削力最小。從圖3（c）中發(fā)現(xiàn)，3種砂輪的力比均保持在2～4.2之間，從擬合的結(jié)果可知，混合磨料砂輪的力比最高，粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削力比最小。這說明磨削過程中混合磨料砂輪表面磨粒鈍化較嚴(yán)重，微晶磨粒的自銳性能未能充分發(fā)揮；而粒度60#的單晶剛玉砂輪表面磨粒較鋒利。因此綜合評價磨削力試驗結(jié)果，粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削性能最優(yōu)。

圖2 磨削試驗設(shè)備Fig.2 Experimental setup

表3 磨削參數(shù)Table3 Grinding parameters

圖3 材料去除率對切向磨削力、法向磨削力及磨削力比的影響規(guī)律Fig.3 Effects of material removal rate on tangential grinding force,normal grinding force and grinding force ratio

2 磨削溫度

磨削溫度是磨削過程中另一個重要參量。不同于車削與銑削等加工方式，磨削過程中產(chǎn)生的熱量大部分傳入到工件中，造成工件表面溫度的急劇升高。磨削溫度過高會使得磨削表面完整性變差，嚴(yán)重影響零件疲勞性能。因此控制磨削溫度是磨削加工中最重要的問題之一。圖4為3種砂輪磨削GH4169的磨削溫度試驗結(jié)果。當(dāng)材料去除率小于0.83mm3/(mm.s)時，3種砂輪的磨削溫度均在100℃以下，而且3種砂輪的磨削溫度都非常接近，這是因為在當(dāng)前磨削參數(shù)下，3種砂輪磨削GH4169材料時都處于正常緩進(jìn)深切磨削過程中，在磨削區(qū)發(fā)生了核態(tài)沸騰換熱現(xiàn)象，從而使得磨削溫度較低[14]。而當(dāng)材料去除率高于0.83mm3/(mm.s)時，磨削溫度迅速升高到500℃以上，造成了工件表面燒傷。這說明在當(dāng)前磨削參數(shù)下，磨削區(qū)熱流密度過高，超出了磨削液的冷卻換熱能力，從而使得磨削溫度急劇升高。因而從磨削溫度的試驗結(jié)果可知，3種砂輪磨削GH4169材料不發(fā)生燒傷的最大材料去除率為0.83mm3/(mm.s)。另外發(fā)現(xiàn)，總體上粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削溫度略低于其他兩種砂輪，因此說明該砂輪在磨削GH4169材料上性能更優(yōu)。

3 表面粗糙度

磨削表面粗糙度是評價磨削加工質(zhì)量的重要參數(shù)，表面粗糙度較大時容易造成工件表面的應(yīng)力集中（尤其是在工件表面存在著較深的磨痕時），進(jìn)而對工件的疲勞壽命造成不利影響。圖5為3種砂輪磨削GH4169的表面粗糙度試驗結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，隨著材料去除率的增大，磨削表面粗糙度值總體上呈現(xiàn)出增大趨勢。隨著材料去除率從0.16mm3/(mm.s)增大到1mm3/(mm.s)，混合磨料砂輪、粒度60#單晶剛玉砂輪和粒度70#單晶剛玉砂輪的磨削表面粗糙度Ra分別從0.24μm、0.25μm 和0.16μm增大到0.92μm、0.97μm 和0.78μm。當(dāng)材料去除率小于0.83mm3/(mm.s)時，3種砂輪磨削GH4169的表面粗糙度值都小于0.4μm，這說明在正常磨削條件下，3種砂輪磨削GH4169材料的表面粗糙度可以達(dá)到零件加工的需求；而當(dāng)材料去除率大于0.83mm3/(mm.s)時，3種砂輪磨削GH4169的表面粗糙度值都快速升高，混合磨料砂輪和粒度60#單晶剛玉砂輪磨削GH4169的表面粗糙度值都高于0.8μm。從磨削溫度試驗結(jié)果可知，材料去除率超過0.83mm3/(mm.s)時工件發(fā)生磨削燒傷現(xiàn)象，從而造成了磨削表面粗糙度的急劇增大。

4 磨削表面形貌分析

磨削表面形貌主要是由磨粒去除材料形成的溝痕疊加而成，因此工件表面磨粒的狀態(tài)對磨削表面形貌具有重要的影響。圖6為3種砂輪在ap=0.1mm、vw=100mm/min 和vs=25m/s 參數(shù)下的磨削表面形貌。3種砂輪在相同磨削參數(shù)下的表面形貌沒有顯著差異，這從表面粗糙度的試驗結(jié)果中也可以得到印證。

圖4 材料去除率對磨削溫度影響規(guī)律Fig.4 Effects of material removal rate on grinding temperature

圖5 材料去除率對磨削表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.5 Effects of material removal rate on surface roughness

圖6 ap=0.1mm,vw=100mm/min,vs=25m/s條件下磨削表面形貌Fig.6 Grinding surface morphology (ap=0.1mm,vw=100mm/min,vs=25m/s)

圖7為采用3種砂輪磨削GH4169材料過程中出現(xiàn)的典型磨削表面缺陷。圖7（a）中裂紋產(chǎn)生的主要原因可認(rèn)為是磨削后殘余應(yīng)力釋放所引起；圖7（b）和（c）中的溝槽以及劃痕主要是由破碎或者脫落磨粒在磨削區(qū)劃擦造成，其中圖7（b）中溝槽較深，這是由于磨粒在磨削力的作用下被壓入材料中劃擦形成；而圖7（c）中劃痕是由于磨粒在工件表面劃擦形成；圖7（b）和（c）中材料涂覆主要由磨粒在工件表面耕犁造成材料的隆起導(dǎo)致。從磨削表面形貌分析可以發(fā)現(xiàn)，磨削表面缺陷的形成主要與砂輪磨損有關(guān)，因此提高剛玉砂輪磨粒的耐磨性也是提高磨削表面質(zhì)量的重要措施。

5 磨削比分析

砂輪磨損是影響砂輪性能發(fā)揮的重要因素，砂輪磨損嚴(yán)重時會使得砂輪表面磨粒鈍化，磨除材料能力下降，造成較大的磨削力和較高的磨削溫度，從而導(dǎo)致較差的磨削表面質(zhì)量。磨削比是評價砂輪耐用度的一個重要指標(biāo)，磨削比較大時說明材料較易加工或者砂輪磨削性能較好。圖8為3種砂輪磨削GH4169材料的磨削比試驗結(jié)果。可知，3種砂輪的磨削比都較小，保持在0.5～3之間。

圖7 典型缺陷Fig.7 Typical defects

圖8 材料去除率對磨削比的影響規(guī)律Fig.8 Effects of material removal rate on grinding ratio

從3種砂輪的組成方面分析，由于微晶磨粒具有良好的自銳性能，因此粒度為60#的微晶和單晶混合磨料砂輪的磨削力和磨削溫度應(yīng)小于另外兩種砂輪，然而磨削力和磨削溫度的試驗結(jié)果顯示混合磨料砂輪優(yōu)異的磨削性能未能充分發(fā)揮。而就磨削表面粗糙度而言，粒度70#單晶剛玉砂輪雖然磨粒粒徑更小，然而其磨削表面粗糙度相對于粒度60#單晶剛玉砂輪而言，其優(yōu)勢也沒有充分發(fā)揮出來。這主要是與砂輪的磨損以及材料的磨削特性有關(guān)。眾所周知，GH4169材料是典型的難加工材料，采用剛玉砂輪磨削時，砂輪極易出現(xiàn)黏附和堵塞等嚴(yán)重的砂輪磨損現(xiàn)象，從而限制了剛玉砂輪磨削性能的發(fā)揮。這可以從剛玉砂輪磨削其他材料的磨削比中得到證實，如Nadolny[15]采用微晶剛玉砂輪在澆注式磨削條件下磨削100Cr6材料時磨削比達(dá)到90～120；Kalita 等[16]采用棕剛玉砂輪磨削EN24 鋼的磨削比達(dá)到了23。因此砂輪磨損是影響剛玉砂輪磨削鎳基高溫合金類材料性能發(fā)揮的最主要因素。

結(jié)論

本文進(jìn)行了60#單晶和微晶混合磨料砂輪、60#單晶剛玉砂輪和70#單晶剛玉砂輪磨削GH4169材料磨削加工GH4169鎳基高溫合金的對比試驗研究，對3種砂輪的磨削特性進(jìn)行了評價，得到以下結(jié)論：

（1）3種砂輪磨削GH4169材料在磨削比、表面粗糙度及表面形貌方面沒有表現(xiàn)出顯著差異，而通過對磨削力和磨削溫度的綜合評價發(fā)現(xiàn)粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削性能更優(yōu)。

（2）3種砂輪在正常磨削條件下，表面粗糙度Ra均在0.4μm以下；砂輪磨損（主要包括磨粒的破碎和脫落）是剛玉砂輪磨削表面缺陷形成的重要原因。