GH4169DA磨削表面完整性控制工藝域優(yōu)選方法

黃新春， 史愷寧

(1.西北工業(yè)大學動力與能源學院， 西安 710072； 2.西北工業(yè)大學機電學院， 西安 710072)

高溫合金以優(yōu)良的高溫強度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性被廣泛應用于航空航天領域。磨削高溫合金時，砂輪磨粒的磨耗磨損和黏附堵塞較嚴重，而且磨削比低，這些都不利于獲得好的表面粗糙度，影響高溫合金構件的加工表面完整性，從而影響了服役使用性能[1-2]。表面完整性是材料加工中很重要的評價指標，其對構件的耐磨性能、疲勞性能和應力腐蝕性能等有決定作用。針對高溫合金磨削加工，須嚴格控制其表面完整性。

目前，中外學者對高溫合金磨削加工表面完整性進行了大量的研究。王棟等[3]采用外圓磨削18CrNiMo7-6 單因素試驗探究磨削參數(shù)對磨削表面完整性的影響，并針對單顆磨粒磨削進行了仿真殘余應力的研究。羅學昆等[4]以FGH95 合金材料為研究對象，研究了不同的復合工藝對其表面完整性的差異，并開展表面完整性對高溫疲勞性能的影響規(guī)律研究。Miao等[5]對比研究了棕剛玉和微晶剛玉砂輪的磨損行為，及其對不同鎳基高溫合金緩進給磨削表面質(zhì)量的影響。GH4169在加工制造過程中出現(xiàn)的切削力大，加工硬化嚴重等缺點，會對加工表面形貌產(chǎn)生影響，而加工表面形貌與零件的使用性能具有密切聯(lián)系[6]。武鑫磊等[7]研究了不同工藝參數(shù)對加工鎳基高溫合金GH4169的材料去除率、電極相對損耗率、加工誤差等工藝性能的影響關系，揭示了工件加工表面的微觀結構特性。劉均偉[8]分別使用陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具，探究了高速切削鎳基高溫合金Inconel718過程中切削速度、切削深度和進給量對加工效果的影響。張曦等[9]研究了陶瓷CBN砂輪與釬焊CBN砂輪磨削加工FGH96材料的性能，探討了磨削參數(shù)對磨削力、磨削溫度、砂輪磨損及表面粗糙度的影響規(guī)律。徐汝鋒等[10]研究了高溫合金磨削表層殘余應力對疲勞性能的影響。

高溫合金的磨削表面完整性對其抗疲勞性能有較大影響，研究其表面完整性的控制能夠優(yōu)選出較好疲勞性能的磨削工藝參數(shù)，從而更有效地控制表面完整性和疲勞性能[11-12]。盛曉敏等[13]研究了高速/超高速磨削高溫合金等難加工材料的磨削參數(shù)對表面特征的影響。牛秋林等[14]分析了表面完整性對零件抗疲勞性能影響機理的進展和加工表面完整性的抗疲勞機理研究中亟待解決的問題及發(fā)展趨勢。

現(xiàn)以高溫合金GH4169DA為研究對象，采用正交實驗法，針對磨削參數(shù)對磨削表面完整性特征中的表面粗糙度、表面殘余應力和表面顯微硬度的影響靈敏度進行分析，并采用文獻[14]中的工藝參數(shù)區(qū)間靈敏度分析和區(qū)間優(yōu)選方法，獲得高溫合金GH4169DA磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。通過與直觀分析法結合，實現(xiàn)對磨削用量進行更好控制，為高溫合金磨削表面完整性加工提供參數(shù)選擇依據(jù)。

1 表面完整性控制工藝域概念和優(yōu)化方法

表面完整性就是指控制加工工藝方法造成的無損傷或強化的表面狀態(tài)，是加工過程中構件材料表層產(chǎn)生的各種改變及其對構件服役性能影響的總描述。表面完整性的評價指標如圖1所示。

主要分析表面粗糙度Ra、表面形貌、表面殘余應力σ、表面顯微硬度H。表面完整性控制工藝域是指能夠獲得較好的表面完整性特征指標的加工工藝參數(shù)域，其優(yōu)化方法如圖2所示，D為系數(shù)，工藝參數(shù)包括工件速度vw、刀具進給ap、刀具速度vs、進給量af。

圖1 表面完整性示意圖Fig.1 The schematic of surface integrity

圖2 表面完整性控制工藝域優(yōu)化方法Fig.2 The optimization methods of surface integrity control technology region

(1)在確定的砂輪特性參數(shù)(材料W和粒度N等)條件下，選擇磨削工藝參數(shù)初始工藝域C1。

(2)在工藝域C1內(nèi)構建正交試驗工藝組合，進行正交試驗，測試對應表面完整特征，通過回歸分析構建表面完整性特征關于磨削工藝參數(shù)的經(jīng)驗映射模型。

(3)采用靈敏度分析的方法，通過對經(jīng)驗映射模型分析獲得表面完整性特征關于磨削工藝參數(shù)的影響關系，利用穩(wěn)定域的判定原則最終獲得表面完整性控制工藝域C。

2 高溫合金GH4169DA磨削實驗

2.1 試驗材料

試件材料為GH4169DA鍛造鎳基高溫合金，屬Ni-Cr-Fe基時效硬化型合金，熱處理工藝為：鍛后水冷+720 ℃×8 h/以50 ℃/h爐冷到620 ℃×8 h空冷，成分特點是Nb含量較高，含較多的Cr和Fe，含少量的Al、Ti，以形成γ′相和γ″相，主要化學成分組成如表1所示。

表1 GH4169DA高溫合金的化學成分

2.2 試驗條件及試驗過程

試件采用圓棒試件，直徑30 mm，長100 mm。實驗所用機床為MMB1420外圓磨床；砂輪采用SA80KV單晶剛玉砂輪；磨削方式為順磨，采用乳化液冷卻。采用三因素四水平正交試驗法，研究磨削參數(shù)(工件速度vw、徑向進給ap、砂輪速度vs)對表面粗糙度、表面殘余應力和表面顯微硬度的影響，其磨削參數(shù)選擇如表2所示，磨削過程如圖3所示。

表2 磨削實驗方案

圖3 磨削過程示意圖Fig.3 Grinding process diagram

表面粗糙度的測試采用接觸式TR240表面粗糙度儀，在磨削表面沿垂直進給方向等距選取5個點，取樣長度0.8 mm，評定長度4.0 mm，測量每點表面粗糙度Ra值并求取平均值。表面顯微硬度采用MHT-4顯微硬度測試計，試驗力為200g(g為重力加速度)，載荷保持時間10 s。采用XStress3000 X射線應力分析儀測試表面殘余應力。

2.3 試驗結果

表3為表面粗糙度Ra、表面顯微硬度HV和表面殘余應力σr的測量結果。

表3 表面特征測量結果

3 磨削表面特征工藝參數(shù)區(qū)間敏感性分析

通過回歸分析，建立表面特征的經(jīng)驗公式，分析磨削表面特征工藝參數(shù)的靈敏度，獲得磨削表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力與磨削工藝參數(shù)的靈敏度關系，計算敏感的工藝參數(shù)靈敏度，得到使表面特征變化平緩的工藝參數(shù)區(qū)間敏感性范圍；在此基礎上通過直觀分析，得到磨削參數(shù)對表面粗糙度Ra、表面顯微硬度HV和表面殘余應力σr的影響規(guī)律。

3.1 表面特征經(jīng)驗公式的建立及相對靈敏度分析

對表2和表3中的磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)和表面特征測試數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸分析方法進行擬合，建立的表面粗糙度經(jīng)驗公式為

(1)

根據(jù)相對靈敏度S′的定義，相對靈敏度為指數(shù)型經(jīng)驗公式各變量的指數(shù)，可以計算出表面特征對各磨削參數(shù)的相對靈敏度分別為

(2)

3.2 表面特征對磨削工藝參數(shù)絕對靈敏度分析

表面粗糙度對工件速度、徑向進給、砂輪速度的絕對靈敏度S模型如式(3)所示；表面顯微硬度對工件速度、徑向進給、砂輪速度的絕對靈敏度模型如式(4)所示；表面殘余應力對工件速度、徑向進給、砂輪速度的絕對靈敏度模型如式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由相對靈敏度分析可知，在GH4169DA進行外圓磨削時，表面粗糙度相對工件速度的變化最為敏感，表面顯微硬度相對砂輪速度的變化最為敏感，表面殘余應力相對工件速度的變化最為敏感，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)需要對于工件速度和砂輪速度進一步優(yōu)化選擇。

3.3 磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域

根據(jù)磨削表面特征對工件速度、徑向進給、砂輪速度的絕對靈敏度模型，獲得實驗參數(shù)范圍內(nèi)工件速度、磨削深度、砂輪速度的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域，如表4所示。

表4 磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域

3.4 磨削參數(shù)區(qū)間優(yōu)選

通過對正交試驗的磨削表面特征測試結果經(jīng)過正交實驗直觀分析，可以得到圖4所示的不同磨削工藝參數(shù)對表面特征的影響曲線。由圖4可以確定工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域中表面特征的變化范圍和趨勢。

圖4 磨削參數(shù)對表面特征的影響曲線Fig.4 Effect of grinding parameters on surface characteristics

由于采用外圓磨的方式，磨削時砂輪與工件作用面較小，磨削液能夠充分冷卻，磨削力和磨削溫度的作用時間較短，其對表層冷作硬化作用不十分明顯，所以表面顯微硬度變化不大，同時由于磨削過程中由擠光效應作用產(chǎn)生的殘余壓應力多于熱塑性變形作用產(chǎn)生的殘余拉應力，故表面為殘余壓應力。

由圖4(a)可知，隨著工件速度vw的增加，表面粗糙度越來越小，其變化基本呈下降趨勢，工件速度非穩(wěn)定域表面粗糙度大于265 nm，穩(wěn)定域表面粗糙度在237～265 nm；表面顯微硬度變化較小，工件速度非穩(wěn)定域和穩(wěn)定域表面顯微硬度在495～515 HV；表面殘余壓應力先增大后減小的變化趨勢，工件速度非穩(wěn)定域表面殘余壓應力低于321 MPa，穩(wěn)定域內(nèi)表面殘余壓應力在321～424 MPa。

由圖4(b)可知，隨著磨削徑向進給ap的增加，表面粗糙度越來越大，徑向進給非穩(wěn)定域表面粗糙度低于253 nm，穩(wěn)定域表面粗糙度在253～268 nm；表面顯微硬度變化不太明顯，徑向進給非穩(wěn)定域和穩(wěn)定域表面顯微硬度在492～517 HV；表面殘余壓應力先減小后增大的變化趨勢，徑向進給非穩(wěn)定域表面殘余壓應力高于376 MPa，穩(wěn)定域內(nèi)表面殘余壓應力在246～392 MPa。

由圖4(c)可知，隨著砂輪速度vs的增加，表面粗糙度的變化趨勢是先減小后增大，砂輪速度非穩(wěn)定域表面粗糙度高于243 nm，穩(wěn)定域表面粗糙度在240～279 nm；表面顯微硬度變化不太明顯，砂輪速度非穩(wěn)定域和穩(wěn)定域表面顯微硬度在490～523 HV；表面殘余壓應力呈增大趨勢，砂輪速度非穩(wěn)定域表面殘余壓應力低于336 MPa，穩(wěn)定域內(nèi)表面殘余壓應力在336～380 MPa。

最后，為了得到穩(wěn)定的磨削表面質(zhì)量，選擇的GH4169DA磨削參數(shù)區(qū)間如表5所示，該區(qū)間范圍可保障較穩(wěn)定的表面粗糙度和表面顯微硬度、較大的表面殘余壓應力。在進行磨削參數(shù)的優(yōu)選時，不僅要考慮其是否在穩(wěn)定區(qū)間，同時還要兼顧磨削表面特征的要求，以及磨削參數(shù)對于磨削表面特征的靈敏程度。在實際加工中還要考慮加工工序的要求，在下述范圍內(nèi)進行優(yōu)選或者根據(jù)規(guī)律的趨勢進行選擇。

3.5 優(yōu)選磨削工藝參數(shù)驗證

采用上述優(yōu)選的磨削工藝參數(shù)進行磨削實驗，采用白光干涉儀測定磨削表面三維輪廓如圖5所示，其粗糙度Ra為230 nm，最大波峰高為0.94 μm，最大波谷為1.03 μm；采用SEM測量表面形貌如圖6(a)、圖6(b)所示，磨削表面紋理清晰平整，沒有出現(xiàn)明顯的耕犁和擠壓翻邊現(xiàn)象。測量表面顯微硬度為520 HV，表面殘余應力為壓應力，大小為380 MPa。

表5 磨削參數(shù)優(yōu)選

圖5 磨削表面輪廓Fig.5 The grinding surface texture

圖6 磨削表面紋理Fig.6 The grinding surface texture

4 結論

通過對高溫合金GH4169DA外圓磨削過程中表面完整性特征對磨削工藝參數(shù)敏感性研究，可以得出如下結論。

(1)建立了表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應力對磨削工藝參數(shù)的經(jīng)驗公式，得到了表面特征工藝參數(shù)區(qū)間的靈敏度，表面粗糙度相對工件速度的變化最為敏感，表面顯微硬度相對砂輪速度的變化最為敏感，表面殘余應力相對工件速度的變化最為敏感，獲得工藝參數(shù)區(qū)間內(nèi)的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。

(2)通過分析磨削工藝參數(shù)對磨削表面特征的影響規(guī)律，得到了保障較穩(wěn)定的表面粗糙度和表面顯微硬度、較大的表面殘余壓應力的磨削工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間，工件速度優(yōu)選區(qū)間為12～22 m/min，徑向進給優(yōu)選區(qū)間為0.005～0.01 mm，砂輪速度優(yōu)選區(qū)間為20～25 m/s。

(3)通過對優(yōu)選的磨削工藝參數(shù)磨削后的表面進行測試，獲得表面完整性特征測試結果，其粗糙度為230 nm，最大波峰高為0.94 μm，最大波谷為1.03 μm；表面顯微硬度為520 HV，表面殘余應力為壓應力，大小為380 MPa，磨削表面紋理清晰平整。