鎳基高溫合金K4125磨削性能與參數(shù)優(yōu)化研究

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（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031）

近年來，鎳基高溫合金等難加工材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。這些材料優(yōu)異的性能對(duì)機(jī)械加工提出了更高的挑戰(zhàn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)[1]。K4125 鎳基高溫合金常用于制造渦輪導(dǎo)向葉片，具有高溫強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、能夠在超過800℃高溫條件下持久工作的優(yōu)勢(shì)。但是，這些優(yōu)異的材料特性也使得K4125 成為典型的難加工材料，機(jī)械加工比較困難[2]。高效磨削加工技術(shù)自20 世紀(jì)80年代發(fā)展以來，已逐漸應(yīng)用于鎳基高溫合金等難加工材料的高效加工。在保證材料表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，極大地提高了材料的去除率，可以達(dá)到“以磨代切”的加工效果，適用于K4125導(dǎo)向葉片的加工[3]。

目前，高效磨削加工研究主要集中在以GH4169 和Ti–6Al–4V 為代表的難加工材料中。Xi 等[4]對(duì)比研究了GH4169、Ti2AlNb、Ti–6Al–4V等高溫合金的磨削性能，結(jié)果表明磨削GH4169 的磨削力和磨削比要高于磨削Ti2AlNb、Ti–6Al–4V，同時(shí)，磨削后GH4169 的表面質(zhì)量也差于Ti2AlNb、Ti–6Al–4V 的表面質(zhì)量。Tian 等[5]通過兩次單磨粒劃傷試驗(yàn)，研究了磨削速度對(duì)GH4169 材料去除機(jī)理的影響，并提出了尺寸效應(yīng)和速度效應(yīng)。Dai 等[6]使用有限元方法研究了單顆磨粒磨削GH4169 材料切削的形成機(jī)理，結(jié)果表明磨削速度對(duì)于切削形成有重要影響。

K4125 作為近年來開發(fā)的新型鎳基高溫合金，具有自身獨(dú)特的材料特性。然而，目前該材料的磨削加工特性研究鮮有報(bào)道，限制了K4125磨削加工效率的進(jìn)一步提高。因此，有必要探究K4125 材料在高效磨削加工中的磨削性能，為進(jìn)一步提高材料加工效率提供理論依據(jù)。

本研究開展了棕剛玉砂輪磨削K4125 的研究工作，探討了砂輪線速度、工件進(jìn)給速度以及磨削深度對(duì)磨削力、磨削溫度、比磨削能以及表面粗糙度的影響，并與典型鎳基高溫合金GH4169 進(jìn)行對(duì)比研究，研究材料性能對(duì)磨削加工性的影響規(guī)律，以期為優(yōu)化磨削參數(shù)提供理論依據(jù)。

試驗(yàn)材料與設(shè)備

1 鎳基高溫合金材料特性分析

鎳基高溫合金是用于制備燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向葉片的重要材料。在本試驗(yàn)中，對(duì)鎳基高溫合金K4125開展磨削試驗(yàn)研究，并與常用的鎳基高溫合金GH4169 進(jìn)行對(duì)比，揭示K4125 的磨削性能。GH4169 和K4125 力學(xué)性能如下：兩者測(cè)試溫度均為650℃；GH4169 的抗拉強(qiáng)度為900MPa，K4125 為830MPa; GH4169的斷面收縮率≥6.0%，K4125 為8.0%。K4125 與GH4169 的化學(xué)成分組成如表1所示[2,7]。

決定鎳基高溫合金性能的是金相組織特征，關(guān)鍵的強(qiáng)化作用來自于有序面心立方金屬間化合物相γ′Ni3(Al，Ti)。變形鎳基高溫合金隨溫度升高到600~800℃，常會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度巔峰，這是由相γ′的特性決定，相γ′體積分?jǐn)?shù)超過45%難以鍛造成型，強(qiáng)度也受限制。因而GH4169 常應(yīng)用在中溫即600~800℃。在中溫（650 ℃）條件下K4125 與GH4169具有相似的力學(xué)性能。因?yàn)镵4125合金中Cr 元素含量少，所以在中溫下K4125 的塑性略低于GH4169。然而在K4125 中Al、Ti 元素含量更多，增大了γ′相體積分?jǐn)?shù)，降低了Cr 元素，增加了Co、W、Hf、Re 等元素含量，提高了γ′相溶解溫度，使得固溶強(qiáng)化效果更明顯，材料的抗蠕變性能、高溫下抗沖擊性和穩(wěn)定性更好。此外，高溫作用下，材料晶界是薄弱環(huán)節(jié)，而K4125 相較于GH4169晶界更少，且C 元素和B、Zr、W、Ta等元素含量更多，形成的碳化物強(qiáng)化晶界的效果更明顯，使得K4125 合金在高溫下強(qiáng)度更高，穩(wěn)定性更好，能夠在超過800℃高溫條件下持久工作。K4125 材料優(yōu)異的性能也對(duì)加工工藝提出了更高的要求。

2 鎳基高溫合金磨削試驗(yàn)裝置

為對(duì)比GH4169 和K4125 兩種鎳基高溫合金的磨削性能，本研究開展了緩進(jìn)深切磨削試驗(yàn)研究，如圖1（a）所示。磨削試驗(yàn)采用高速平面磨床Blohm Format MT–408。該磨床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min，最大輸出功率為45kW，采用針狀噴嘴和水基乳化液（5%）進(jìn)行冷卻，冷卻液流量與噴嘴出口壓力分別最高可達(dá)90L/min 與1.5MPa，可為磨削試驗(yàn)提供良好的冷卻條件。采用棕剛玉砂輪（F13A80FF22V35M）開展磨削試驗(yàn)研究，砂輪氣孔率為23%，磨粒直徑為160~200μm，砂輪硬度為F。采用逆磨方式開展試驗(yàn)研究，并在每次磨削前采用單點(diǎn)金剛石修整器對(duì)砂圓周進(jìn)行修整，修整參數(shù)如下：砂輪修整速度vd為20m/s，進(jìn)給速度fd為200mm/min，磨削深度ap為0.01mm，總修整量h為0.5mm。

磨削力與磨削溫度可以反映磨削參數(shù)對(duì)材料加工性能的影響，是評(píng)價(jià)材料磨削性能的重要技術(shù)指標(biāo)。在本研究中，使用Kistler 公司生產(chǎn)的壓電測(cè)力儀（Kistler 9272）和電荷放大器（Kistler 5018A）測(cè)量工件磨削中的磨削力信號(hào)，并導(dǎo)入專用軟件（Dynoware）進(jìn)行處理，獲取磨削中的法向和切向磨削力Fn、Ft。為測(cè)量磨削弧區(qū)溫度，探明磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律，本研究采用半人工熱電偶法進(jìn)行測(cè)量[8]。如圖1（b）所示[8]，將康銅絲放置于兩塊尺寸相同的工件之間，康銅絲的一端與工件待磨削面相連，另一端則與工件一起分別連接至數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)砂輪磨削工件表面磨粒在去除工件材料時(shí)，也會(huì)對(duì)康銅絲進(jìn)行切削。由于康銅絲具有延展性，該材料會(huì)與工件相連，形成熱電偶的熱端，而數(shù)據(jù)采集卡則形成熱電偶的冷端。磨削弧區(qū)的熱端在磨削高溫的作用下，與冷端形成電勢(shì)差，該數(shù)值與熱端溫度、熱電偶材料相關(guān)。因此，通過分析測(cè)量的溫度信號(hào)，即可得到磨削弧區(qū)的溫度。需注意的是，康銅絲與工件之間需放置云母片，避免熱電偶短路，影響溫度信號(hào)的測(cè)量。

表1 GH4169與K4125化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)比Table 1 Chemical composition (mass fraction) of GH4169 and K4125%

K4125–康銅以及GH4169–康銅為非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，為獲取熱電勢(shì)U與磨削弧區(qū)溫度的關(guān)系模型，本研究對(duì)這兩組熱電偶開展了標(biāo)定試驗(yàn)，并獲得了0℃條件下對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)–溫度模型，如式（1）所示。

本研究的磨削參數(shù)如下：砂輪線速度vs為15~30m/s，工件進(jìn)給速度vw為480~1800mm/min，磨削深度ap為0.01~0.1mm，磨削寬度b為5mm。為進(jìn)一步探明材料磨削性能差異，本研究使用Load Controls PPC–3 型功率儀對(duì)主軸模型功率進(jìn)行了測(cè)量。此外，本研究使用MarSurf PS1 型粗糙度儀測(cè)量工件已加工表面粗糙度，每組參數(shù)均測(cè)量3 次，并取平均值，并使用JEOL EB–019 型掃描電鏡對(duì)已加工表面微觀形貌進(jìn)行觀察，探究磨削參數(shù)對(duì)工件已加工表面的影響。

結(jié)果與討論

1 GH4169與K4125磨削力對(duì)比研究

磨削力是由磨粒與工件材料相互接觸過程中發(fā)生的摩擦力、彈塑性變形抗力等工作作用形成的，是評(píng)價(jià)工件材料磨削性能的重要參量。磨削力的大小與磨削熱的高低息息相關(guān)，從而影響磨削溫度以及工件表面完整性。對(duì)磨削力的充分研究有助于更好地理解工件材料的加工性能。

圖2顯示了不同工件進(jìn)給速度vw和磨削深度ap對(duì)切向磨削力Ft和法向磨削力Fn的影響。顯然，F(xiàn)t與Fn均隨vw和ap的增大而增大。當(dāng)vw由480mm/min 增至1200mm/min 時(shí)，GH4169 的法向磨削力Fn基本穩(wěn)定在39~45N 之間，變化較小，而K4125 的法向磨削力Fn則先由60N 緩慢降至55.8N 后，迅速增至71.7N。當(dāng)磨削深度ap由0.01mm 增至0.1mm 時(shí)，GH4169 的法向磨削力Fn由7.5N 增至40.7N，而K4125 的法向磨削力Fn從23.7N 增至119N。此外，當(dāng)磨削深度ap>0.05mm 時(shí)，GH4169 的法向磨削力Fn逐漸保持平穩(wěn)，而K4125 的法向磨削力Fn則持續(xù)增大。

磨削力比是指法向磨削力Fn與切向磨削力Ft的比值，可以反映砂輪磨粒的磨損程度，該數(shù)值越小，則砂輪越鋒利。從圖2可以看出，GH4169 的磨削力比普遍小于K4125，即在磨削K4125 時(shí)，砂輪更易磨鈍，使用壽命較短，需要對(duì)砂輪進(jìn)行頻繁的修整。

圖1 鎳基高溫合金磨削試驗(yàn)裝置Fig.1 Grinding experimental setup of nickel based superalloy

砂輪線速度vs對(duì)GH4169 與K4125 的切向磨削力Ft、法向磨削力Fn的影響如圖3（a）所示。顯然，砂輪線速度vs增大時(shí)，磨削力總體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)vs由15m/s 增至25m/s 后，GH4169 的法向磨削力Fn由46N 降至36N；與之相比，K4125 的法向磨削力Fn在55.8~70N 范圍內(nèi)波動(dòng)變化，而切向磨削力Ft則隨砂輪線速度地增大而降低。定速比磨削是指砂輪線速度vs與工件進(jìn)給速度vw比值為定值的磨削方式。此時(shí)，單顆磨粒切厚ag,max可以認(rèn)為是定值。如圖3（b）所示，當(dāng)砂輪線速度vs增大時(shí)，GH4169 與K4125 的磨削力均出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象。分析表明，隨著砂輪線速度的提高，GH4169 和K4125 的磨削力減小，主要原因在于單顆磨粒切厚的減小導(dǎo)致砂輪的載荷減小，所以磨削力降低。當(dāng)砂輪線速度與工件進(jìn)給速度的比值恒定時(shí)，磨削過程的單顆磨粒切厚保持恒定。研究結(jié)果表明，隨著磨削速度的提升，磨削力下降，主要原因在于隨著磨削速度的提升，工件表面熱軟化效應(yīng)提高，工件表面強(qiáng)度降低，使得磨削力減小。

由 圖2和 圖3可 知，K4125 的磨削力均顯著大于GH4169 的磨削力，最大差值可達(dá)68.4%。磨削力比也高于GH4169。因此，磨削K4125材料時(shí)需要對(duì)砂輪進(jìn)行頻繁的修整。此外，在磨削K4125 時(shí)，磨削力隨磨削速度增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，磨削力隨磨削深度急劇增大，隨進(jìn)給速度緩慢增加，因此應(yīng)選用較大的磨削速度vs為 25~30m/s，較小的磨削深度ap為0.01~0.02mm。為保證材料去除率，可以適當(dāng)增大工件進(jìn)給速度vw為500~1000mm/min。

圖2 磨削深度與工件進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響Fig.2 Effects of grinding depth and feeding speed on grinding force

2 GH4169與K4125磨削溫度對(duì)比研究

鎳基高溫合金在磨削中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而這部分熱量主要通過工件、砂輪以及冷卻液進(jìn)行疏散，其中，工件傳輸?shù)臒崃空冀^大部分。然而，由于鎳基高溫合金導(dǎo)熱率較低，熱量極易聚集在工件磨削表面，引發(fā)燒傷現(xiàn)象，對(duì)工件表面造成熱沖擊，從而帶來較大的熱應(yīng)力，產(chǎn)生微裂紋等缺陷，表面質(zhì)量難以滿足使用要求。因此，工件磨削表面的溫度研究對(duì)于改善工件表面質(zhì)量具有重要意義。

圖4（a）顯示了砂輪線速度對(duì)工件表面磨削溫度的影響。當(dāng)砂輪線速度vs為15m/s 時(shí)，GH4169 與K4125 的磨削溫度均在400℃以上，相差僅為38℃。但是，當(dāng)砂輪線速度vs繼續(xù)增大至30m/s 后，K4125 的磨削溫度由424℃緩慢升至549℃，始終高于400℃；而GH4169 的磨削溫度則從460℃快速下降至53℃。圖4（b）顯示了工件進(jìn)給速度對(duì)工件表面磨削溫度的影響。當(dāng)工件進(jìn)給速度增大時(shí)，GH4169 的磨削溫度首先由46℃緩慢升至59℃，隨后急劇升至558℃；而K4125 的磨削溫度則幾乎不受工件進(jìn)給速度的影響，維持在500℃左右。磨削深度對(duì)工件表面磨削溫度的影響如圖4（c）所示。隨著磨削深度的增大，K4125 和GH4169 的磨削溫度均出現(xiàn)了快速升高的現(xiàn)象。其中，GH4169 的磨削溫度由20℃升至672℃，而K4125 的磨削溫度則由20℃升至647℃。

3 GH4169與K4125比磨削能對(duì)比研究

比磨削能是指磨削加工中，去除單位體積的材料所消耗的能量，是評(píng)價(jià)材料磨削加工性的重要指標(biāo)，如式（2）所示。

式中，P為磨削功率，該參數(shù)通過測(cè)量主軸功率的變化得到；b為磨削寬度。

圖5（a）顯示了砂輪線速度對(duì)比磨削能的影響。可知，GH4169 與K4125 的比磨削能均隨砂輪線速度地增加而逐漸增大。當(dāng)砂輪線速度vs由15m/s 增至30m/s 時(shí)，GH4169 的比磨削能由85.3J/mm3增至124.6J/mm3；而K4125 的比磨削能由110.7J/mm3增至143J/mm3。如圖5（b）所示，兩種材料的比磨削能隨工件進(jìn)給速度的增大而逐漸減小。單顆磨粒切厚對(duì)比磨削能的影響如圖5（c）所示。單顆磨粒切厚越小，比磨削能越大，這是因?yàn)檩^小的單顆磨粒切厚更易引起劃擦、耕犁現(xiàn)象，用于材料去除的能量比例逐漸降低。通過擬合方法得到比磨削能與單顆磨粒切厚之間的經(jīng)驗(yàn)公式，如式（3）所示。

圖3 砂輪線速度對(duì)磨削力的影響Fig.3 Effect of grinding wheel speed on grinding force

式中，GH4169 的相關(guān)系數(shù)為0.985，而K4125 的擬合系數(shù)為0.983，這是因?yàn)槟チＥc工件的相互作用過程主要分為劃擦、耕犁和切削3 個(gè)階段。當(dāng)單顆磨粒切厚較小時(shí)，主要發(fā)生劃擦和耕犁現(xiàn)象，工件材料僅僅發(fā)生彈塑性變形，而未被有效去除。彈塑性變形做功增加，從而造成比磨削能增大。而當(dāng)單顆磨粒切厚增大后，材料切削過程逐漸占主導(dǎo)作用，比磨削能也逐漸減小。此外，可以發(fā)現(xiàn)K4125的比磨削能均高于GH4169 的比磨削能，這顯示了K4125 更差的磨削加工性。

4 GH4169與K4125表面形貌與粗糙度對(duì)比研究

圖6對(duì)比了GH4169 與K4125的典型磨削表面形貌。可以觀察到兩種材料均存在因工件材料側(cè)流導(dǎo)致的涂抹現(xiàn)象，未斷裂的磨屑粘黏在已加工表面，并形成較深的劃痕溝槽。然而，兩種材料仍然存在較大的差異。其中，GH4169 的已加工表面主要由細(xì)小的磨痕構(gòu)成，溝槽深度較小，涂抹以及磨屑粘黏現(xiàn)象較少；而K4125 的已加工表面則存在更多的溝槽和磨屑粘黏現(xiàn)象，表面質(zhì)量更差。這是因?yàn)镵4125 材料黏性大，并與剛玉磨粒存在親和性，易附著在砂輪表面的磨粒上[9]。在磨削過程的高溫高壓作用下，形成了硬質(zhì)層包裹在磨粒切削刃上，在增加磨粒切削刃寬度的同時(shí)，也增大了磨粒與工件的摩擦，使得磨削表面惡化，如圖7所示。

磨削參數(shù)對(duì)工件磨削表面粗糙度的影響如圖8所示。當(dāng)砂輪線速度增大時(shí)，磨屑逐漸變薄，磨削弧區(qū)溫度逐漸升高。此時(shí)，GH4169 的塑性逐漸增加，導(dǎo)致砂輪的材料去除能力降低，磨粒切削后兩側(cè)的隆起逐漸增多，表面粗糙度逐漸增大。而K4125 具有更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，當(dāng)砂輪磨削時(shí)，磨粒兩側(cè)的材料塑性流動(dòng)有限，同時(shí)由于切削變薄，因此，殘留的材料進(jìn)一步減少，表面粗糙度得到改善。隨著工件進(jìn)給速度增大，K4125 的表面粗糙度Ra由0.61μm緩慢升至0.63μm，幾乎保持不變。而GH4169 的表面粗糙度Ra則從0.27μm 迅速增大至0.41μm。圖8（c）顯示了磨削深度對(duì)工件表面粗糙度的影響，可知，當(dāng)磨削深度增大時(shí)，GH4169 與K4125 的表面粗糙度數(shù)值均出現(xiàn)了大幅增加的現(xiàn)象。這是由于工件進(jìn)給速度與磨削深度的增大均提高了單顆磨粒切厚。在砂輪線速度較低而磨削深度較大的條件下，K4125 的表面粗糙度數(shù)值遠(yuǎn)大于GH4169。進(jìn)給速度的改變對(duì)表面粗糙度數(shù)值影響較小，而砂輪線速度對(duì)表面粗糙度數(shù)值影響較大。在相同參數(shù)下，K4125 的磨削加工表面質(zhì)量不及GH4169，更難加工出較好的工件表面。因此，可以選擇較高的砂輪線速度vs（25~30m/s），較小的磨削深度ap（0.01~0.03mm），為了保證材料去除率可以增加進(jìn)給速度。

圖4 磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響Fig.4 Effects of grinding parameters on grinding temperature

圖5 磨削參數(shù)對(duì)比磨削能的影響Fig.5 Effects of grinding parameters on specific energy

圖6 GH4169與K4125磨削表面形貌對(duì)比Fig.6 Comparison of ground surface morphology between GH4169 and K4125

圖7 GH4169與K4125磨削砂輪磨損形貌對(duì)比Fig.7 Comparison of grinding wheel wear morphology between GH4169 and K4125

圖8 磨削參數(shù)對(duì)磨削表面粗糙度的影響Fig.8 Effects of grinding parameters on surface roughness

通過上述分析可知，K4125 的磨削力和磨削溫度均大于GH4169，而加工表面的粗糙度也遠(yuǎn)不如GH4169。這是因?yàn)镵4125 導(dǎo)熱率低于GH4169，導(dǎo)致相同磨削條件下磨削弧區(qū)產(chǎn)生的熱量難以通過工件材料傳導(dǎo)出去，從而在弧區(qū)聚集，并引起燒傷，而從工件表面的顯微形貌圖6可知，K4125 工件表面存在更多的劃擦和耕犁現(xiàn)象，這表明砂輪在磨削K4125 時(shí)更易磨鈍，砂輪的材料去除能力急劇下降。盡管K4125 的高溫強(qiáng)度低于GH4169，但砂輪磨削性能的惡化使得該材料較GH4169 更難被去除，磨削力和磨削溫度因而更高。

結(jié)論

本研究主要對(duì)K4125 和GH4169高溫合金的磨削加工性進(jìn)行比較，首先從材料本質(zhì)上進(jìn)行研究，然后搭建磨削試驗(yàn)平臺(tái)，最后從磨削力、比磨削能、磨削溫度、表面粗糙度等方面研究了磨削K4125 和GH4169 的差別。主要得到以下結(jié)論：

（1）磨削過程中，K4125 的磨削力均大于GH4169 的磨削力，且最大相差68.4%。K4125 的比磨削能變化范圍為120~240J/mm3，而GH4169的比磨削能則為50~140J/mm3，K4125 合金的比磨削能均大于GH4169 合金的比磨削能，且最大高出45.4%。磨削K4125 合金時(shí)，磨削溫度大部分保持在400℃以上，而對(duì)于GH4169 合金，磨削溫度大部分在200℃以下。此外磨削K4125 時(shí)砂輪磨損更加嚴(yán)重，壽命更短。因此K4125 的磨削加工性差于GH4169。

（2）磨削K4125 的已加工表面涂抹、磨屑粘黏和溝槽比GH4169 嚴(yán)重，K4125 的磨削表面粗糙度遠(yuǎn)大于GH4169 的磨削表面粗糙度，磨削K4125 更難獲得較好的表面質(zhì)量。

（3）使用棕剛玉砂輪磨削K4125 合金時(shí)推薦的磨削參數(shù)為：磨削速度vs=25~30m/s，進(jìn)給速度vw=500~1000mm/min，磨削深度ap=0.01~0.02mm。