DD5鎳基單晶高溫合金緩進(jìn)磨削表面完整性研究

靳淇超, 曹帥帥, 汪文虎, 蔣睿嵩, 郭磊

1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064;2.西北工業(yè)大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能制造工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072;3.四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610065

鎳基單晶高溫合金具有良好的高溫力學(xué)性能,可以顯著提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作溫度并提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率,已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料之一[1-2]。榫齒作為渦輪葉片和輪盤連接結(jié)構(gòu),對(duì)復(fù)雜的形面輪廓加工精度較高。同時(shí)在載荷作用下榫齒疲勞源常出現(xiàn)在加工表面損傷區(qū),通過(guò)優(yōu)化榫齒成形方法和工藝提高榫齒成形表面完整性,降低加工表面損傷可有效減少服役過(guò)程中應(yīng)力集中,提高其服役壽命[3]。為滿足榫齒制造精度要求,榫齒成形制造由銑削、拉削、電解磨削發(fā)展為緩進(jìn)成形磨削[4-5];緩進(jìn)磨削采用金剛石修整輪將榫齒輪廓修印在砂輪工作面上,并采用修整-磨削-磨損補(bǔ)償為一體的工藝,既能保證成形榫齒輪廓精度,又能保證高效磨削下成形表面質(zhì)量[6]。然而工程中發(fā)現(xiàn)緩進(jìn)磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面完整性具有重要影響,因此研究緩進(jìn)磨削工藝參數(shù)對(duì)單晶高溫合金表面完整性影響規(guī)律,對(duì)指導(dǎo)渦輪葉片榫齒緩進(jìn)成形磨削工藝、提高榫齒成形磨削加工表面完整性具有重要意義。

針對(duì)鎳基單晶高溫合金磨削表面完整性研究方面,Ding等[7]研究了釬焊CBN砂輪緩進(jìn)磨削鎳基鑄造高溫合金K424磨削表面完整性,當(dāng)工藝參數(shù)組合為vs=22.5 m/s,vw=0.1 m/min,ap=0.2 mm時(shí),表面質(zhì)量較好。Li等[8]研究了3種砂輪磨削鈦基復(fù)合材料的磨削力、磨削溫度、表面硬度及殘余應(yīng)力,結(jié)果表明微晶剛玉砂輪磨削性能優(yōu)于鉻剛玉和白剛玉砂輪,而且磨削深度對(duì)表面硬度和殘余應(yīng)力的影響較大。Cai等[9]基于正交實(shí)驗(yàn)研究了DD5磨削表面質(zhì)量,結(jié)果表明砂輪線速度對(duì)表面粗糙度影響最大、進(jìn)給速度次之,磨削深度影響最小;并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選了最佳工藝參數(shù),該參數(shù)下磨削亞表面γ相和γ′相嚴(yán)重扭曲,塑性變形深度約2 μm,在磨削表面與塑性變形層之間存在約0.5 μm的加工硬化層。傅玉燦等[6]使用電鍍成型CBN砂輪高效深切磨削定向凝固鎳基高溫合金DZl25葉片榫齒,工件表面磨削紋理清晰但未發(fā)現(xiàn)皺疊及犁溝兩側(cè)翻起等現(xiàn)象,磨削表面金相顯微組織無(wú)變化,未發(fā)現(xiàn)相變、撕裂及晶粒扭曲現(xiàn)象,工件表層加工硬化程度為7.7%～19.0%,深度為40 μm。蔡明等[10]采用單因素實(shí)驗(yàn)研究鎳基高溫合金單晶DD5平面槽磨削工藝,結(jié)果表明砂輪線速度對(duì)磨削表面粗糙度影響最大;隨著砂輪線速度的增大,表面粗糙度不斷減小;隨著磨削深度和進(jìn)給速度的增大,表面粗糙度不斷增大。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為砂輪線速度為30 m/s,磨削深度為20 μm,進(jìn)給速度為0.2 m/min。磨削亞表面出現(xiàn)了塑性變形層和加工硬化層。顧玉櫳[11]基于葉片榫頭結(jié)構(gòu)研究了DD6鎳基單晶高溫合金成形磨削表面質(zhì)量,對(duì)比榫頭凸弧與凹弧齒區(qū)發(fā)現(xiàn)相同磨削用量下凹弧區(qū)域表面紋理較清晰,表面質(zhì)量相對(duì)較好。Bhaduri等[12]研究了超聲輔助緩進(jìn)磨削鉻鎳鐵合金718,結(jié)果表明使用超聲波輔助可以減小磨削力和工件表面粗糙度,超聲輔助磨削表面犁耕明顯。Hood等[13]使用單層電鍍金剛石砂輪緩進(jìn)磨削γ-TiAl金屬合金,結(jié)果表明粗加工時(shí),磨削表面出現(xiàn)硬化層,硬化層深度達(dá)到100 μm;精加工未出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。Rabiey等[14]研究了DIN 100Cr6磨削加工表面微觀組織和殘余應(yīng)力,結(jié)果表明殘余應(yīng)力與磨削工藝參數(shù)和材料去除率有關(guān),也和砂輪的表面形貌有關(guān),增加材料去除率的同時(shí)殘余應(yīng)力也會(huì)增大,沿磨削方向上的殘余應(yīng)力的拉應(yīng)力更強(qiáng)。綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同高溫合金進(jìn)行了不同工藝狀態(tài)磨削表面研究,為高溫合金磨削工藝提供了不同工況的推薦工藝參數(shù),然而針對(duì)DD5鎳基單晶高溫合金榫齒磨削工藝不同工況需求的工藝及表面完整性評(píng)估仍有待進(jìn)一步討論和分析。

單晶高溫合金緩進(jìn)磨削工藝有以下特點(diǎn)：①緩進(jìn)給磨削切深大、磨削弧長(zhǎng)、潤(rùn)滑冷卻狀態(tài)復(fù)雜;②砂輪磨粒的形狀、尺寸、空間位姿等都呈高斯分布;③此外鎳基單晶高溫合金晶體學(xué)各向異性,未變形磨屑不同晶向的變形與塑性流動(dòng)差異。上述因素都給單晶高溫合金磨削表面完整性研究帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。本文基于第二代單晶高溫合金DD5緩進(jìn)磨削工藝,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)探索磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面完整性的影響規(guī)律,揭示表面完整性形成機(jī)理,構(gòu)建其與工藝參數(shù)的模型并優(yōu)化加工工藝。建立工藝參數(shù)與表面完整性狀態(tài)的映射關(guān)系,獲取不同工況需求下的磨削工藝參數(shù)及表面完整性狀態(tài),為緩進(jìn)磨削工藝在單晶渦輪葉片榫齒成形工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用第二代鎳基單晶高溫合金DD5材料,其化學(xué)成分如表1所示。在真空感應(yīng)定向凝固爐中重熔合金、澆注并定向凝固獲得DD5合金單晶鑄件。對(duì)鑄態(tài)DD5進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理,然后采用X射線法測(cè)定其晶粒取向,選用[001]結(jié)晶取向與主應(yīng)力軸的偏離度小于10°的鑄件為合格坯料,其截面尺寸約30 mm×15 mm;垂直于定向凝固方向切取DD5單晶材料并制備金相試樣,γ′相組織立方化程度較高,分割γ′相的γ通道呈規(guī)則的正方形,其鑄件及組織如圖1a)所示。

圖1 磨削實(shí)驗(yàn)材料

表1 DD5單晶高溫合金主要成分 %

采用慢走絲線切割將標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的DD5鑄件沿定向凝固方向每隔10 mm定向切割,分割后試件尺寸約30 mm×10 mm×15 mm,磨削試塊如圖1b)所示。

1.2 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)ELB-SCHLIFF的BC15緩進(jìn)磨床,采用白剛玉和鉻剛玉混合磨料砂輪;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用金剛石滾輪修整砂輪工作面,修整速率為0.000 1 mm/r;并采用Castrol Syntilo水基乳化液冷卻。為了排除DD5材料各向異性引起磨削性能及成形表面完整性差異,根據(jù)渦輪葉片精密鑄造及定向凝固過(guò)程,以渦輪葉片榫齒和緣板的緩進(jìn)磨削加工工藝規(guī)范為依據(jù),即磨削平面選擇(010)晶面,磨削進(jìn)給方向垂直于[001](取向定向凝固的方向)方向,實(shí)驗(yàn)設(shè)備與磨削方案如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與磨削方案

為研究不同磨削工藝參數(shù)(砂輪線速度vs、工件進(jìn)給速度vw和磨削深度ap)對(duì)磨削表面完整性的影響,開展三因素四水平正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 DD5緩進(jìn)磨削正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

使用TR240表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)量表面粗糙度;使用Marsurf XT20測(cè)試分析儀系統(tǒng)檢測(cè)三維形貌;使用alicona全自動(dòng)刀具掃描儀觀察表面紋理;使用FEM-800顯微硬度測(cè)試儀測(cè)量表面硬度;采用切割、鑲樣、研拋、腐蝕、洗滌等方法制備試樣,利用VEGA3 LMU掃描電鏡觀察試件沿磨削方向截面微觀組織。

2 DD5緩進(jìn)磨削表面完整性分析

2.1 DD5緩進(jìn)磨削表面粗糙度分析

磨削表面粗糙度直接影響零件的使用性能和疲勞壽命,DD5緩進(jìn)給磨削加工過(guò)程中,磨粒從磨削弧入口開始與毛坯干涉并開始切削,在靠近磨削弧出口處出現(xiàn)耕犁、劃擦,并在磨削表面形成磨削紋理,其磨粒作用示意圖如圖3所示。因此,磨削表面粗糙度、形貌、紋理與砂輪磨粒形狀、尺寸、分布密度等直接相關(guān),磨削表面狀態(tài)是多個(gè)磨粒交互劃擦、耕犁作用下的結(jié)果。由于磨粒沿著磨削方向運(yùn)動(dòng),在磨削表面形成沿磨削方向的耕犁紋理,同時(shí)耕犁紋理兩側(cè)形成隆起的塑性變形材料，在后續(xù)磨粒擠壓作用下出現(xiàn)黏著涂附效果。

圖3 磨削成形過(guò)程和單顆粒磨削未變形切屑示意

根據(jù)磨削表面形成過(guò)程分析,基于正交試驗(yàn)分別測(cè)量沿磨削方向和垂直磨削方向的表面粗糙度。不同工藝參數(shù)對(duì)DD5緩進(jìn)磨削表面粗糙度的影響規(guī)律如圖4所示,垂直磨削方向粗糙度在0.560～0.740 μm范圍內(nèi),沿磨削方向粗糙度在0.073～0.114 μm范圍內(nèi)。DD5緩進(jìn)磨削表面糙度隨工藝砂輪線速度vs的增大,磨削表面粗糙度均降低;隨工件進(jìn)給速度vw的增大,沿磨削方向粗糙度略有降低,而垂直磨削方向粗糙度略有升高;隨磨削深度ap的增大,磨削表面粗糙度均升高。砂輪線速度對(duì)磨削方向的表面粗糙度影響最大,磨削深度次之,工件進(jìn)給速度對(duì)其影響較小;工藝參數(shù)對(duì)垂直磨削方向粗糙度影響相當(dāng),因?yàn)槭褂玫纳拜唽傩?磨粒粒度、砂輪硬度、組織號(hào)、磨削液潤(rùn)滑)未發(fā)生變化。

圖4a)顯示了砂輪線速度對(duì)磨削表面粗糙度的影響規(guī)律,隨著砂輪線速度vs的增大,磨削表面粗糙度降低。由于砂輪線速度升高,單顆磨粒切削作用對(duì)應(yīng)的未變形磨屑厚度減小,磨屑塑性變形降低,磨削力降低;同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)作用于磨削弧末段的磨粒數(shù)增加,在磨削弧末段磨粒的耕犁、劃擦效果弱化,因此磨削表面磨粒切削紋理更加均勻,對(duì)應(yīng)的粗糙度值減低。圖4b)顯示了工件進(jìn)給速度對(duì)磨削表面粗糙度的影響規(guī)律,隨著工件進(jìn)給速度vw的增大,垂直磨削方向表面粗糙度升高,而沿磨削方向粗糙度降低。隨著工件進(jìn)給速度增加,砂輪單磨粒的未變形切屑厚度和磨屑塑性變形大,磨粒切削效應(yīng)強(qiáng)而耕犁和劃擦效應(yīng)弱,砂輪磨損加劇,因此垂直磨削方向的表面粗糙度升高。順磨工況下工件速度增加降低了砂輪與工件在磨削接觸弧出口處的相對(duì)速度,因此在磨削表面磨粒劃痕長(zhǎng)度降低,沿磨削方向的表面粗糙度降低。圖4c)顯示了磨削深度對(duì)磨削表面粗糙度的影響規(guī)律,隨著磨削深度的ap增大,磨削表面粗糙度升高。由于磨削深度增大,單顆磨粒未變形磨屑厚度及長(zhǎng)度都會(huì)增大,加劇磨屑塑性變形,磨削力升高,磨粒從砂輪脫落變得更加容易,由于砂輪的擠壓作用,脫落的磨粒在工件表面刻滑、耕犁,工件材料向兩側(cè)隆起,形成不規(guī)則的犁溝,表面質(zhì)量變差,因此對(duì)應(yīng)的磨削粗糙度增大。

圖4 工藝參數(shù)對(duì)磨削表面粗糙度的影響

2.2 DD5緩進(jìn)磨削表面形貌分析

為直觀反映了DD5緩進(jìn)磨削工件表面的表面形貌狀態(tài)，分別對(duì)磨削表面三維形貌和表面紋理進(jìn)行測(cè)量和分析。

1) 三維形貌測(cè)量與分析

測(cè)試三維形貌可以更精確觀察與分析磨削表面幾何輪廓狀態(tài)。如圖5所示,磨粒耕犁劃擦效果產(chǎn)生的切削溝槽和翻邊隆起材料,不同工藝參數(shù)下表面凹槽和隆起材料的長(zhǎng)度和高度有較明顯變化,磨削表面三維形貌存在起伏現(xiàn)象。

圖5 磨粒耕犁劃擦效應(yīng)產(chǎn)生的切削溝槽和翻邊材料示意圖

圖6顯示了采用不同工藝參數(shù)磨削表面三維形貌測(cè)試結(jié)果,垂直磨削方向X和沿磨削方向Y的取樣尺寸為1 mm×1 mm。圖6a)～6b)顯示了不同砂輪線速度下三維形貌測(cè)試結(jié)果,當(dāng)砂輪線速度為15 m/s時(shí),沿著Y方向凹槽和隆起長(zhǎng)度較大(可見長(zhǎng)度達(dá)0.2 mm),X方向凹槽和隆起明顯,輪廓起伏程度大,最大峰高Sp為2.529 μm,最大谷深Sv為3.062 μm;當(dāng)砂輪線速度為30 m/s時(shí),沿Y方向凹槽和隆起較為均勻且長(zhǎng)度較小(可見長(zhǎng)度0.04 mm),X方向凹槽和隆起不明顯,輪廓起伏程度顯著降低,最大峰高Sp為2.003 μm,最大谷深Sv為1.937 μm。

圖6c)～6d)顯示了不同磨削深度下三維形貌測(cè)試結(jié)果,當(dāng)磨削深度為0.1 mm時(shí),沿Y方向凹槽和隆起長(zhǎng)度較小(可見長(zhǎng)度約0.04 mm),X方向凹槽和隆起不明顯,輪廓起伏程度不顯著,最大峰高Sp為1.479 μm(出現(xiàn)1條明顯耕犁產(chǎn)生的隆起),最大谷深Sv為1.904 μm(可見1處明顯凹槽);當(dāng)磨削深度增大到0.7 mm時(shí),沿Y方向凹槽和隆起長(zhǎng)度較大(可見長(zhǎng)度達(dá)0.3 mm),X方向凹槽和隆起突出,輪廓起伏程度大,最大峰高Sp為1.878 μm(出現(xiàn)多達(dá)9條明顯耕犁產(chǎn)生的隆起),最大谷深Sv為2.421 μm(可見5處明顯凹槽)。

圖6e～6f)顯示了不同工件進(jìn)給速度下三維形貌測(cè)試結(jié)果,采用相同的砂輪線速度,根據(jù)前述結(jié)果磨削深度對(duì)表面粗糙度影響程度大于工件進(jìn)給速度,采用較小的工件進(jìn)給速度和較大的磨削深度時(shí),沿Y方向凹槽和隆起長(zhǎng)度較小(可見長(zhǎng)度約0.01 mm),X方向凹槽和隆起不明顯,輪廓起伏程度不顯著,最大峰高Sp為1.865 μm(峰值高度較為均勻,無(wú)明顯耕犁隆起),最大谷深Sv為1.901 μm(可見1處明顯凹槽);然而采用較大的工件進(jìn)給速度和較小的磨削深度時(shí),沿Y方向凹槽和隆起長(zhǎng)度較大(可見長(zhǎng)度達(dá)0.03 mm),X方向凹槽和隆起突出,輪廓起伏程度大,最大峰高Sp為2.256 μm(多達(dá)9條隆起),最大谷深Sv為1.738 μm(可見3處明顯凹槽)。

圖6 不同工藝參數(shù)下的磨削表面三維形貌

基于以上分析,砂輪線速度對(duì)DD5緩進(jìn)磨削表面沿磨削方向的耕犁和劃擦產(chǎn)生的凹槽及隆起材料長(zhǎng)度影響較大,對(duì)垂直磨削方向凹槽深度和隆起高度也有一定影響,因?yàn)樯拜喚€速度決定了砂輪與工件在磨削弧出口處耕犁和劃擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,同時(shí)砂輪線速度越大越有更多的磨粒殘余切削、劃擦和耕犁效應(yīng)。磨削深度對(duì)垂直磨削方向凹槽深度和隆起高度有較大影響,因?yàn)槟ハ魃疃仍酱?單顆磨粒在磨削弧出口處的耕犁和劃擦效應(yīng)越明顯,產(chǎn)生的劃擦痕和翻邊隆起越明顯。順磨工況下工件進(jìn)給速度的增加會(huì)削減砂輪和工件在磨削弧出口相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,工件速度越大,其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越小,產(chǎn)生的磨削凹槽和隆起材料長(zhǎng)度越長(zhǎng),然而砂輪線速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工件進(jìn)給速度,對(duì)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度影響較小,因此該效果反應(yīng)在磨削表面形貌變化不明顯。

2) 表面紋理測(cè)量與分析

三維形貌是基于光學(xué)原理獲取測(cè)量表面幾何輪廓,不能呈現(xiàn)表面物理形態(tài),因此使用alicona刀具掃描儀觀察DD5緩進(jìn)磨削表面紋理。圖7顯示了不同砂輪線速度vs、工件進(jìn)給速度vw、磨削深度ap組合下磨削表面紋理測(cè)試結(jié)果,垂直磨削方向和沿磨削方向的取樣尺寸為1.427 mm×1.083 mm。磨削表面存在明顯的因多顆磨粒隨機(jī)耕犁和劃擦產(chǎn)生的磨削痕,不同工藝參數(shù)下磨削痕形態(tài)差異大,部分參數(shù)下磨削表面出現(xiàn)了磨屑涂覆、坑洞等缺陷。

圖7a)～7b)顯示了不同砂輪線速度下表面紋理測(cè)試結(jié)果,根據(jù)上一節(jié)分析，工件進(jìn)給速度對(duì)磨削表面三維輪廓影響較小可忽略,當(dāng)砂輪線速度為15 m/s時(shí),磨削表面出現(xiàn)磨屑涂覆及坑洞缺陷,磨粒劃擦產(chǎn)生的劃擦痕較深且分布不均勻,表面平整度明顯較差;當(dāng)砂輪線速度為30 m/s時(shí),未出現(xiàn)磨削表面缺陷,磨粒劃擦痕分布均勻,無(wú)明顯刻痕,表面質(zhì)量較高。

圖7c)～7d)顯示了不同磨削深度下表面紋理測(cè)試結(jié)果,當(dāng)磨削深度為0.1 mm時(shí),表面劃擦痕較均勻,表面質(zhì)量較高;當(dāng)磨削深度增大到0.7 mm,且取樣表面出現(xiàn)貫穿性的深槽刻痕時(shí),出現(xiàn)磨屑涂覆現(xiàn)象,表面質(zhì)量差。

圖7e)～7f)顯示了不同工件進(jìn)給速度下表面紋理測(cè)試結(jié)果,采用相同的砂輪線速度,根據(jù)前述結(jié)果磨削深度對(duì)表面粗糙度影響程度大于工件進(jìn)給速度,采用較小的工件進(jìn)給速度和較大的磨削深度時(shí),表面劃擦痕明顯,然而劃擦痕分布均勻;采用較大的工件進(jìn)給速度和較小的磨削深度時(shí),表面劃擦痕更明顯,且出現(xiàn)磨屑涂覆現(xiàn)象。

圖7 幾組不同工藝參數(shù)下的表面紋理

緩進(jìn)磨削過(guò)程中,磨粒切削工件待去除材料并掠過(guò)成形面,在成形表面形成磨削紋理和形貌。磨削表面形貌和紋理都是多顆磨粒切削、耕犁、劃擦作用下的結(jié)果。為進(jìn)一步分析磨削表面紋理形成機(jī)理,在磨削深度對(duì)表面形貌紋理影響相對(duì)較大的結(jié)論下,在磨削工藝參數(shù)范圍內(nèi)選擇2組不同工藝參數(shù)下磨屑并觀測(cè)其形態(tài)，如圖8所示。當(dāng)磨削深度較小時(shí),磨屑呈彎扭狀并伴隨片狀破碎磨屑,磨屑表面存在因磨粒不規(guī)則形狀產(chǎn)生的劃痕,磨屑的幾何尺寸相對(duì)較小;磨粒參與切削并剝落材料形成切屑,在切屑表面形成剝落痕跡,部分剝落的磨屑因扭曲嚴(yán)重而斷裂為碎屑,如圖8a)所示。當(dāng)磨削深度較大時(shí),磨屑呈卷曲的顆粒狀并伴隨較大的片狀碎屑,磨屑寬度和厚度較大,部分破碎磨屑表面因擠壓作用而呈皺紋狀;磨削深度增大導(dǎo)致磨削弧長(zhǎng)增大,磨屑難以排出,磨粒剝落的磨屑寬度增大并在磨削弧內(nèi)發(fā)生卷曲而呈現(xiàn)顆粒化,同時(shí)部分卷曲的磨屑發(fā)生破碎而呈片狀,如圖8b)所示。由于砂輪磨粒相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)軌跡呈擺線狀,磨粒軌跡由于速比Qs(砂輪線速度與縱向進(jìn)給速度之比)不同而有較大差異,速比較大時(shí),切屑長(zhǎng)而薄;速比較小時(shí),切屑短而厚[15]。綜上所述,DD5緩進(jìn)磨削過(guò)程中,磨粒剝落材料形成磨屑,部分磨屑在擠壓作用下出現(xiàn)破碎;由于砂輪與工件接觸弧長(zhǎng)較大,切屑難以排出而發(fā)生進(jìn)一步扭曲變形,破碎變形的磨屑游離于磨削弧內(nèi)耕犁劃擦磨削表面,并在成形表面出現(xiàn)涂覆、壓痕等現(xiàn)象,見圖7。

圖8 不同工藝參數(shù)下磨屑形態(tài)

2.3 DD5緩進(jìn)磨削表面顯微硬度分析

緩進(jìn)磨削過(guò)程中,磨粒在磨削弧內(nèi)與工件產(chǎn)生切削、劃擦和耕犁效應(yīng),較大的塑性變形造成磨削表面/亞表面晶粒發(fā)生滑移和孿生,其硬度明顯升高;同時(shí)因?yàn)槟Σ梁湍バ妓苄宰冃萎a(chǎn)生較高磨削溫度甚至引起燒傷,在磨削溫度過(guò)高時(shí)表層金相發(fā)生變化產(chǎn)生淬硬現(xiàn)象等,如果冷卻不足,材料發(fā)生相變引起硬度降低,這些現(xiàn)象會(huì)耦合作用于磨削弧而改變磨削表面/表層硬度,其原理如圖9所示。

圖9 磨削表面機(jī)械-熱載荷加工硬化形成機(jī)理

根據(jù)磨削表面磨削加工硬化現(xiàn)象形成機(jī)理分析,基于正交實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)量磨削表面硬度,不同工藝參數(shù)對(duì)DD5緩進(jìn)磨削表面顯微硬度的影響規(guī)律如圖10所示,DD5單晶合金基體維氏硬度值為405～415,磨削表面測(cè)試維氏硬度值在433.4～457.6,磨削表面均出現(xiàn)不同程度的加工硬化現(xiàn)象。DD5緩進(jìn)磨削深度對(duì)表面顯微硬度影響較大,砂輪線速度影響次之,工件進(jìn)給速度影響相對(duì)較小。

圖10 DD5緩進(jìn)磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面顯微硬度的影響

圖10a)顯示了砂輪線速度vs對(duì)表面硬度的影響規(guī)律,DD5緩進(jìn)給磨削表面出現(xiàn)了明顯的加工硬化現(xiàn)象。隨著砂輪線速度的增大,表面硬度和硬化程度減小,當(dāng)砂輪線速度從15 m/s增大到30 m/s,表面維氏硬度值從450.1下降到440.9,硬化程度從9.8%下降到7.5%。緩進(jìn)給磨削過(guò)程中,磨削力會(huì)使工件產(chǎn)生塑性變形,從而會(huì)使表面出現(xiàn)加工硬化,同時(shí)磨削溫度升高會(huì)使表面產(chǎn)生軟化現(xiàn)象,DD5在緩進(jìn)磨削過(guò)程中,隨著砂輪線速度的增大,磨削力在不斷減小,磨削力造成的塑性變形作用減小,所以由塑性變形產(chǎn)生的加工硬化作用減弱,同時(shí)磨削溫度一直在升高,磨削溫度帶來(lái)的軟化作用增強(qiáng),所以硬化程度在減小,但是綜合表現(xiàn)仍為加工硬化現(xiàn)象。

圖10b)顯示了工件進(jìn)給速度vw對(duì)表面硬度的影響規(guī)律,隨著工件進(jìn)給速度增大,表面硬度及硬化程度變化不大,工件進(jìn)給速度從120 mm/min增大到210 mm/min時(shí),表面維氏硬度值從443.1增加到447.9,硬化程度從8.1%升高到9.2%,幾乎無(wú)變化,由此DD5緩進(jìn)磨削過(guò)程中,工件進(jìn)給速度對(duì)表層顯微硬度影響較小。

圖10c)顯示了磨削深度ap對(duì)表面硬度的影響規(guī)律,當(dāng)磨削深度從0.1 mm增大到0.7 mm時(shí),表面維氏硬度值從433.4增加到457.6,表面硬化程度從5.7%增加到11.6%。當(dāng)磨削深度增大,力和溫度都在增加,表面同時(shí)存在加工硬化和軟化現(xiàn)象,磨削力對(duì)顯微硬度的變化起主要作用,所以綜合表現(xiàn)為加工硬化,而且磨削深度對(duì)磨削力的影響最大,所以DD5緩進(jìn)磨削過(guò)程中,磨削深度越大,加工硬化程度越大。

為進(jìn)一步探索工藝參數(shù)對(duì)磨削表層硬度變化影響,不同工藝參數(shù)下亞表面顯微硬度如圖11所示。由于工件進(jìn)給速度對(duì)磨削表面硬度影響較小,因此忽略其影響,在相同砂輪線速度下,磨削深度越大,表面硬化及亞表面硬化層深度越大,磨削深度為0.1 mm時(shí),硬化層深度約50 μm;當(dāng)磨削深度增大到0.7 mm時(shí),硬化層深度達(dá)到110 μm。在相同磨削深度條件下,砂輪線速度由15 m/s增加到30 m/s時(shí),硬化層深度下降為80 μm左右。

圖11 不同工藝參數(shù)下亞表面顯微硬度

綜上所述,DD5緩進(jìn)給磨削深度對(duì)磨削表面/亞表面加工硬化影響最明顯,隨磨削深度增大加工表面硬化程度和硬化層深度都增加;砂輪線速度對(duì)其影響較小,表面硬化程度和硬化層深度隨砂輪線速度升高而減小;工件進(jìn)給速度對(duì)硬化程度影響很小。

2.4 DD5緩進(jìn)磨削表面微觀塑性變形分析

緩進(jìn)磨削過(guò)程中,在多顆磨粒作用下發(fā)生位錯(cuò)滑移和形變孿晶而出現(xiàn)塑性變形層。由于DD5鎳基單晶高溫合金緩進(jìn)磨削深度和砂輪線速度對(duì)表面變質(zhì)層影響較大,為進(jìn)一步分析工藝參數(shù)對(duì)磨削表面塑性變形的影響,基于正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果切割-鑲樣-拋磨并觀察2組試件磨削表面塑性變形組織狀態(tài),通過(guò)圖像灰度處理,基于統(tǒng)計(jì)方法分析γ相偏轉(zhuǎn)角度,獲得塑性變形層深度,如圖12所示。

圖12 不同工藝參數(shù)磨削表面塑性變形狀態(tài)

DD5緩進(jìn)磨削表面層出現(xiàn)明顯塑性變形,γ相沿磨削方向出現(xiàn)不同程度滑移變形,立方化的γ′相出現(xiàn)偏移、扭曲、破碎斷裂現(xiàn)象等。綜合表面硬度測(cè)試結(jié)果,在vs=30 m/s,vw=210 mm/min,ap=0.1 mm工藝參數(shù)下,表面硬化程度最小,塑性變形層厚度約為2.06 μm; 在vs=15 m/s,vw=210 mm/min,ap=0.7 mm工藝參數(shù)下,表面硬化程度最大,塑性變形層厚度約為2.92 μm。表面硬化程度較大時(shí),其塑性變形層厚度也較大,由此可以說(shuō)明DD5在緩進(jìn)磨削過(guò)程中,由于磨削力大造成的塑性變形層是產(chǎn)生加工硬化的重要原因,同時(shí)也間接說(shuō)明DD5鎳基高溫合金具有較高的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究DD5緩進(jìn)磨削工藝參數(shù)對(duì)表面完整性的影響規(guī)律,主要的結(jié)論如下:

1) DD5緩進(jìn)磨削表面垂直磨削方向粗糙度在0.56～0.74 μm范圍內(nèi),沿磨削方向粗糙度約為垂直磨削方向粗糙度的1/5,DD5緩進(jìn)磨削表面糙度隨工藝砂輪線速度vs增大而降低;隨工件進(jìn)給速度vw的增大,沿磨削方向粗糙度略有降低,而垂直磨削方向粗糙度略有升高;隨磨削深度ap的增大表面粗糙度均升高。砂輪線速度對(duì)磨削方向的表面粗糙度影響最大,磨削深度次之,工件進(jìn)給速度對(duì)其影響較小。

2) DD5磨削表面存在明顯的因磨粒耕犁和劃擦產(chǎn)生的凹槽和隆起,不同工藝參數(shù)下表面凹槽和隆起材料的長(zhǎng)度和高度有較明顯變化,磨削表面三維形貌存在起伏現(xiàn)象。砂輪線速度對(duì)沿磨削方向凹槽和隆起長(zhǎng)度影響較敏感;磨削深度和工件進(jìn)給速度對(duì)垂直磨削方向的凹槽和隆起輪廓起伏程度敏感。

3) DD5緩進(jìn)磨削表面出現(xiàn)了不同程度加工硬化,最高達(dá)11.6%,磨削深度對(duì)表面顯微硬度影響較大,砂輪線速度影響次之,工件進(jìn)給速度影響相對(duì)較小。磨削深度越大,表面硬化及亞表面硬化層深度越大,最大硬化層深度達(dá)到110 μm。

4) 磨削表面層出現(xiàn)明顯塑性變形,γ相沿著磨削方向出現(xiàn)不同程度的滑移變形,立方化的γ′相出現(xiàn)了偏移、扭曲、破碎斷裂現(xiàn)象,最大塑性變形層厚度為2.92 μm,DD5緩進(jìn)磨削塑性變形是加工硬化產(chǎn)生主要原因。