高溫合金渦輪盤粗拉刀修磨研究

關(guān)彥齊，于廣濱，朱金鳴，胡清明，孫丹丹

(1.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，黑龍江哈爾濱 150078)

0 前言

燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子是其關(guān)鍵核心部件，通過盤和盤、盤和軸之間以內(nèi)、外圓面和端面配合定位，利用高強(qiáng)度精密錐螺栓連接成整體轉(zhuǎn)子，如圖1所示。其中，動(dòng)力渦輪盤是燃機(jī)中重要的熱端承力部件，需要在較高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間承受巨大的離心力和熱應(yīng)力，因此對(duì)其材料力學(xué)性能要求極高。

圖1 某型燃機(jī)動(dòng)力渦輪盤所屬的渦輪轉(zhuǎn)子

渦輪盤樅樹形榫槽在拉削時(shí)采用粗拉削和精拉削的方式，即粗拉削時(shí)每個(gè)齒切下大量金屬，不參加榫齒齒形的成型加工，如圖2所示；精拉削時(shí)每個(gè)齒切下的金屬和被拉削表面的最終輪廓類似，直至最后一把精刀拉削完成，形成樅樹形榫槽。粗拉削時(shí)，去除金屬余量多，且材料加工難度大，易造成刀具破損，甚至是斷裂。在渦輪盤拉削時(shí)應(yīng)經(jīng)常對(duì)粗拉刀進(jìn)行修磨以保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率。本文作者以粗拉刀修磨為基礎(chǔ)，利用刀具修磨進(jìn)行補(bǔ)償，提出一套切實(shí)可行的拉刀修磨方法。

圖2 某型燃機(jī)動(dòng)力渦輪盤粗拉削

1 拉刀失效形式分析

拉刀在加工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些失效現(xiàn)象，如刀具磨損、破損、崩刃、斷裂等，如圖3所示。本文作者系統(tǒng)地分析這些容易引起拉刀失效的現(xiàn)象，并總結(jié)出改進(jìn)的措施，進(jìn)而提高拉刀的使用壽命和減少修磨次數(shù)。

圖3 動(dòng)力渦輪盤粗拉刀崩刃放大圖

(1)毛坯

通常工件硬度為180～210HB時(shí)，切削性能良好，拉削的質(zhì)量尚佳。GH4698高溫合金渦輪盤的硬度為285～341HB，硬度較高。如果材料太硬，刀具與工件的接觸面容易受到很大的壓力，易導(dǎo)致被加工零件與刀具的側(cè)面形成冷焊，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致拉刀在加工時(shí)磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)刀具會(huì)斷裂。若毛坯的金相組織分布不均，熱處理后軟、硬區(qū)域分布亦不相同，拉削時(shí)拉刀向硬度較小的方向側(cè)傾，此時(shí)拉刀所受的徑向切削力不平衡而造成拉刀損壞。渦輪盤毛坯入廠前，檢驗(yàn)人員應(yīng)按照技術(shù)協(xié)議逐項(xiàng)復(fù)查，確保毛坯質(zhì)量，拉床操作人員可根據(jù)拉削時(shí)產(chǎn)生的切屑形狀判定輪盤的可拉削性，若形狀為卷形，說明輪盤的可拉削性尚佳，若形狀為碎屑，則不建議該零件進(jìn)行后續(xù)拉削。

(2)拉刀設(shè)計(jì)

拉刀是封閉式刀具的一種，若存屑位置不足或形狀不合理，會(huì)將切屑卡在容屑槽內(nèi)，這時(shí)拉削力急劇增加，拉刀磨損加快，極易造成崩刃，甚至拉刀損毀。拉刀切削刃的粗糙度也應(yīng)進(jìn)行控制，刀刃粗糙度值越大，摩擦力就越大，導(dǎo)致拉刀壽命下降。齒升量也是考量拉刀的重要指標(biāo)之一，若選取不當(dāng)會(huì)使拉削力不平均，拉削時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)拉刀將折斷。

(3)拉刀制造

GH4698高溫合金的綜合素質(zhì)較好，對(duì)拉削刀具的制造有較高要求，刀具應(yīng)該滿足高的耐熱性、足夠的強(qiáng)度和韌性、良好的紅硬性和耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能。綜合考慮到成本和性能，渦輪盤粗拉刀采用CPM-T15粉末冶金高速鋼。粉末冶金高速鋼T15具有基體強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、紅硬性好、耐磨性強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)，熱處理淬火后硬度能達(dá)到 66～68HRC，強(qiáng)度和耐磨性約為傳統(tǒng)高速鋼刀具的數(shù)倍。刀具毛坯熱處理前，應(yīng)先加工刀體、齒槽等，并進(jìn)行探傷檢查。刀具制造過程中，粉末冶金高速鋼刀具的熱處理是關(guān)鍵工藝之一，直接影響刀具強(qiáng)度和韌性。拉刀入場(chǎng)前需按技術(shù)協(xié)議逐項(xiàng)檢查，尤其是無損探傷，能有效避免拉削時(shí)打齒、崩刃。

(4)拉削工藝

拉削時(shí)如速度過快，拉刀的瞬間切削力將急劇增加，刀刃的溫度也將快速升高，這會(huì)大大增加崩刃的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)減少拉刀使用壽命。CPM-T15粉末冶金拉刀粗拉時(shí)速度保持4～8 m/min，零件的強(qiáng)度越低，則速度在上述范圍內(nèi)取越大值。渦輪盤在拉削時(shí)，一般采用非標(biāo)夾具，雖然成本較高但可以滿足拉削裝夾需求，拉削時(shí)輪盤移動(dòng)或拉刀基準(zhǔn)面垂直度超差，會(huì)造成拉刀徑向產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，從而使拉刀斷裂。

(5)機(jī)床因素

若機(jī)床的剛性差、功率較低容易在加工時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)從而使刀具崩刃甚至折斷，所以可使用剛度和性能都較好的設(shè)備拉削。同時(shí),也應(yīng)選擇定位精度高的拉床進(jìn)行輪盤拉削。

除上述因素外，拉削切削液的選擇、拉刀的保養(yǎng)、工件的散熱情況、環(huán)境的溫度等因素也會(huì)對(duì)拉刀壽命造成不同程度的影響，具體影響因素如圖4所示。

圖4 拉刀失效因素

2 拉刀修磨仿真分析

拉刀修磨時(shí)，大部分的熱量被傳入拉刀中，這些傳入的熱量會(huì)在表面聚集，尚未擴(kuò)散就在刀具表面形成局部高溫，溫度可達(dá)1 000 ℃。如果磨削參數(shù)選擇不合理，將使拉刀修磨時(shí)的表面溫度跨越相變溫度，拉刀的微觀組織將產(chǎn)生改變，形成退火或者燒傷，刀刃的強(qiáng)度和硬度都會(huì)下降,進(jìn)而加劇刀具的磨損，導(dǎo)致拉刀的壽命大幅度降低。

如通過現(xiàn)有的公式計(jì)算磨削溫度，工作量會(huì)非常大，計(jì)算過程也很繁瑣，所以利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析已成為工程應(yīng)用中的一種方法。本文作者利用數(shù)值仿真技術(shù)，模擬磨削過程的溫度場(chǎng)，并分析不同磨削條件對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

2.1 拉刀磨削時(shí)的熱流密度

在磨削時(shí)，磨削液難以進(jìn)入局部磨削區(qū)，因此在磨削時(shí)磨削液帶走的磨削區(qū)的熱量非常少。同時(shí)，磨削時(shí)拉刀的表面溫度很高，當(dāng)磨削液溫度變高達(dá)到沸騰時(shí)，磨削液與工件表面之間的氣化現(xiàn)象又構(gòu)成隔離層，大大減少了磨削液與工件表面之間熱量的傳遞。此次加工為拉刀修磨，一般修磨對(duì)金屬的去除量較小，磨屑帶走的熱量也極為有限。因此不考慮上述磨削液和磨屑兩種因素的影響。

磨削時(shí)，流入拉刀表面的熱流密度為

式中：為輸入拉刀的熱流密度百分比;為磨削切向力;為砂輪移動(dòng)速度;為砂輪與工件的幾何接觸面積。

根據(jù)Hahn模型，砂輪-工件熱量分配比為

2.2 拉刀修磨溫度場(chǎng)仿真

在拉刀的修磨過程中，切削深度較小，可以忽略磨削深度對(duì)溫度的影響，將工件已加工表面和未加工表面看成是同一表面。此節(jié)利用拉刀的三維模型進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。

材料性能與相關(guān)條件修磨試驗(yàn)采用CMP-T15粉末冶金高速鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 CMP-T15拉刀的材料屬性

在修磨的過程中，工藝參數(shù)對(duì)刀具溫度的影響較大。因此，分別取砂輪線速度為 30、40、50 m/s，砂輪的進(jìn)給速度為2、3、4 m/min對(duì)拉刀進(jìn)行修磨溫度場(chǎng)仿真綜合試驗(yàn)。

拉刀單個(gè)齒的溫度場(chǎng)可以代表其余齒修磨時(shí)的狀態(tài)，因此建立拉刀模型時(shí)將其簡(jiǎn)化，利用Workbench 中Mesh功能對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選擇為8節(jié)點(diǎn)6面體單元，著重對(duì)修磨面的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格劃分如圖5所示，最終網(wǎng)格的平均值為0.72，符合求解要求。

圖5 拉刀簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分

通常情況，刀具磨削設(shè)備在帶有空調(diào)的恒溫室內(nèi)，溫度為(20±2)℃，則將拉刀修磨時(shí)的環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。工件各面與空氣進(jìn)行換熱，換熱系數(shù)通常為5～25 W/(m·K)，在工件表面添加一個(gè)移動(dòng)熱源。由于Workbench 本身不能直接加載移動(dòng)熱源，把這一過程離散化，短時(shí)間內(nèi)在磨削區(qū)加載固定的熱流密度，然后在下個(gè)時(shí)間段將熱源轉(zhuǎn)移到下一個(gè)磨削區(qū)域，同時(shí)將上次所分析的結(jié)果加載為此次初始條件；采用三角熱源模型，通過多次迭代和連續(xù)加載，可以得到磨削區(qū)溫度的分布。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖6所示為砂輪在進(jìn)給速度為2 m/s的條件下，線速度分別為30、40、50 m/s時(shí)磨削過程中的溫度場(chǎng)分布情況。可知：磨削的最高溫度發(fā)生在=4.5 s時(shí)，當(dāng)線速度為50 m/s時(shí)刀具最高溫度為966.32 ℃，在此溫度零件表層金相組織易發(fā)生變化，導(dǎo)致燒傷并且熱應(yīng)力相對(duì)較大；當(dāng)線速度為30 m/s時(shí)，拉刀的表面最高溫度為538.82 ℃，此時(shí)零件的金相組織穩(wěn)定，且熱應(yīng)力較小，故選擇砂輪的線速度為30 m/s。

圖6 進(jìn)給速度2 m/s、不同線速度時(shí)刀具表面溫度場(chǎng)分布

在線速度為30 m/s的條件下，分別對(duì)進(jìn)給速度為3、4 m/min進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖7所示。可知：當(dāng)進(jìn)給速度為3 m/min時(shí)，在=3 s時(shí)的溫度最高，為509.27 ℃；當(dāng)進(jìn)給速度為4 m/min時(shí)，最高溫度為482.48 ℃，發(fā)生在=2.3 s，此時(shí)溫度相對(duì)較低，雖然進(jìn)給速度變快導(dǎo)致熱量增多，但磨削時(shí)間相對(duì)變短，進(jìn)而出現(xiàn)此種現(xiàn)象。4 m/min時(shí)溫度相對(duì)較低，但瞬時(shí)磨削力增大，且3種進(jìn)給速度對(duì)溫度的影響較低，綜合效率和瞬時(shí)磨削力等因素，選擇磨削進(jìn)給速度為3 m/min。

圖7 線速度為30 m/s、不同進(jìn)給速度時(shí)刀具表面溫度場(chǎng)分布

圖8所示為進(jìn)給速度3 m/min且砂輪線速度30 m/s時(shí)刀刃上均布的9個(gè)點(diǎn)處隨時(shí)間變化的溫度。可以看出，選定的磨削參數(shù)合理。

圖8 刀刃最高溫度隨時(shí)間的變化(進(jìn)給速度3 m/min,砂輪線速度30 m/s)

3 拉刀的修磨

拉刀修磨時(shí)應(yīng)維持刀齒自身的參數(shù)，以保證拉刀容屑槽原本的幾何形狀和尺寸，若幾何形狀和尺寸有誤將造成擠塞現(xiàn)象，這時(shí)刀齒易崩斷或破損。

拉刀需要修磨時(shí)通常分為3種情況：(1)當(dāng)拉刀破壞時(shí)需要修磨，如崩刃、磨損等;(2)拉削過程中出現(xiàn)異常，如榫槽表面與原表面相比變得粗糙、切削力增大、拉刀振動(dòng)異常、拉床異響等，需要對(duì)拉刀進(jìn)行檢查，檢查后決定拉刀是否需要修磨；(3)拉刀在拉削規(guī)定數(shù)量的榫槽后必須修磨，即便拉刀尚未出現(xiàn)上述現(xiàn)象也需要修磨，宏觀上看不出拉刀的磨損情況，但拉刀已經(jīng)接近疲勞臨界點(diǎn)，若繼續(xù)拉削，刀具的磨損將會(huì)加劇，極易導(dǎo)致刀刃嚴(yán)重磨損，甚至?xí)霈F(xiàn)崩刃或刀具折斷。

3.1 砂輪的選擇

拉刀修磨時(shí)需對(duì)砂輪的磨料、粒度、結(jié)合劑等方面進(jìn)行綜合考量，同時(shí)要考慮CPM-T15粉末冶金材料的磨削性能。粗拉刀修磨時(shí)采用了磨料為CBN的成型砂輪，如圖9所示。它具有高硬度、高韌性、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)惰性強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、耐磨性好、壽命長(zhǎng)、被加工表面質(zhì)量好等特點(diǎn)。選擇結(jié)合劑為陶瓷、粒度為100的砂輪，其綜合性價(jià)比較好，適合此類材料粗拉刀的修磨。

圖9 CBN成型砂輪

3.2 磨削液的選擇

磨削液具有潤(rùn)滑、冷卻、清洗等作用，同時(shí)也要考慮抗腐蝕性、有害性、安全性等。拉刀在修磨時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，CBN砂輪在水基磨削液中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，使磨粒晶形遭到破壞，加速砂輪的磨損，所以磨削時(shí)應(yīng)用油性冷卻液。油冷方式不僅可以降溫，而且還有很好的潤(rùn)滑功能，能使砂輪更不易磨損，所以磨削T15材料的粗拉刀采用高壓油基磨削液。

3.3 拉刀的磨削加工

一般情況下，修磨拉刀的前角便可繼續(xù)使用。拉刀修磨前應(yīng)先對(duì)拉刀的刀刃、前刀面進(jìn)行清理，防止有切屑、積屑瘤，清理后將拉刀放到ArthurKlink數(shù)控拉刀磨床的工作臺(tái)上，通過磁力將拉刀吸附到工作臺(tái)上。如圖10(a)所示，修磨前進(jìn)行對(duì)刀，通過第2.3節(jié)確定的磨削參數(shù)進(jìn)行修磨，如圖10(b)所示。修磨后對(duì)拉刀刃口進(jìn)行目視檢查，確認(rèn)崩刃、破損部位已修磨完成，如圖11所示。

圖10 拉刀修磨前對(duì)刀及修磨

圖11 修磨后的拉刀

磨削后，切齒的前后角若很小，則摩擦力變大，切削力增大，需要檢查角度是否符合要求。同時(shí)拉刀刃口通常會(huì)有翻向后刀面的毛刺，若毛刺清理不到位，不但影響拉刀的尺寸，也會(huì)在拉削過程中產(chǎn)生勒刀現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)拉刀將會(huì)折斷。清理毛刺后對(duì)拉刀進(jìn)行消磁探傷處理。具體拉刀修磨流程如圖12所示。

圖12 拉刀修磨流程

4 結(jié)論

本文作者分析了拉刀的失效形式并提出一定的解決方法，同時(shí)對(duì)粗拉刀磨削時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，確定了拉刀修磨的工藝參數(shù)。利用確定的磨削參數(shù)對(duì)粗拉刀進(jìn)行了修磨加工，且確定了砂輪種類、切削液種類及修磨工藝過程，保證了粗拉刀的修磨質(zhì)量，為拉刀的修磨提供了參考。