高速磨削Inconel718單顆PCBN磨粒磨損研究*

程 強(qiáng)，梁國星，郝建宇，張 宇

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 山西 太原 030024)

0 引 言

由于具有較高的熱強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及良好的耐腐蝕性能，高溫鎳基合金在航空發(fā)動機(jī)、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3]。高溫鎳基合金和鈦合金一樣，在磨削加工時磨削區(qū)磨削比能較大[4]、溫度較高，會造成材料的軟化以及砂輪表面磨屑的粘附，屬于難加工材料[5]。

磨削加工[6]在精密加工領(lǐng)域有著重要的地位,其原理是利用工件與砂輪磨粒的相互作用以去除材料[7]。磨削過程參與磨粒數(shù)量較多，形狀、尺寸分布隨機(jī)，為研究材料去除機(jī)理帶來了一定的困難[8]。

單顆磨粒磨削方法被廣泛應(yīng)用于研究材料去除機(jī)理。余劍武等[9]利用單顆磨粒磨削實(shí)驗，研究磨削速度對工件材料去除的影響，研究發(fā)現(xiàn)，提高磨削速度有利于提高材料去除成屑階段，降低磨痕兩側(cè)堆積率。沈平華等[10]對GH4169進(jìn)行了單顆金剛石高速磨削實(shí)驗，研究發(fā)現(xiàn)，磨削力隨切削速度的增大而減小，高速有利于高溫鎳基合金磨削加工。WANG等人[11]通過有限元對單顆CBN磨粒高速磨削Inconel718高溫鎳基合金條件下的磨損演化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在切削刃附近出現(xiàn)微裂紋，并由微裂紋擴(kuò)展形成宏觀斷裂，拉應(yīng)力是造成CBN顆粒磨損的主要因素。RAO等人[12]分別用PCBN和CBN進(jìn)行單顆磨粒磨削實(shí)驗研究，發(fā)現(xiàn)采用PCBN磨粒獲得的磨痕粗糙度值更高，PCBN磨粒比CBN磨粒磨痕更容易發(fā)生銳化，PCBN磨粒去除材料能力更強(qiáng)。

Inconel718鎳基合金[13]具有良好的性能而被廣泛地應(yīng)用，但其難加工性限制了它的發(fā)展。為此，筆者將鎳基高溫合金Inconel 718作為對象，采用形狀規(guī)則的PCBN顆粒進(jìn)行單顆磨粒試驗研究。

1 磨削試驗

試驗選用Inconel718作為樣件材料樣件，試驗前進(jìn)行打磨拋光處理，粗糙度為0.4 μm，初始硬度為34 HRC。

Inconel718合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 Inconel718合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

筆者采用MV-40數(shù)控立式加工中心對Inconel718進(jìn)行單顆磨粒高速磨削試驗；將PCBN磨粒通過釬焊的方式固定在直徑為400 mm的砂輪盤上。

試驗裝置及單顆PCBN磨粒如圖所示。

圖1 試驗裝置單顆PCBN磨粒1-進(jìn)給方向；2-單顆PCBN磨粒砂輪盤；3-PCBN磨粒；4-試驗樣件；5-測力儀

圖1中，試驗樣件通過試驗專用夾具連接在Kistler9119AA2型測力儀上；用無水乙醇清洗磨削后的樣件及PCBN磨粒，清除表面附著污物，用超景深顯微鏡觀察記錄磨粒磨損情況，使用SM-1000三維光學(xué)輪廓儀觀察樣件材料堆積率以及磨痕三維形貌。

磨削試驗參數(shù)如表2所示。

表2 磨削試驗參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 單顆磨粒磨削Inconel718磨削力

不同磨削深度下，磨削力隨切削次數(shù)變化的對比曲線如圖2所示。

由圖2可以看到，前期法向力和切向力隨切削次數(shù)的增加逐漸增大，這是由于磨粒尖端和切削刃被磨平鈍化，磨粒對材料切削作用減弱，切削過程由切削轉(zhuǎn)為磨粒前端對材料的擠壓，材料在磨粒前端堆積以及沿磨粒側(cè)面流動摩擦作用增強(qiáng)；隨著磨削次數(shù)的進(jìn)一步增加，磨削力出現(xiàn)上下波動，這是由于磨粒鈍化后導(dǎo)致磨削力增大，磨削力的增大會加劇磨粒尖端破碎形成的微觀鈍化和銳化循環(huán)；當(dāng)切削次數(shù)繼續(xù)增加時，磨削力有明顯下降，可以解釋為磨粒微破碎沿切削刃附近擴(kuò)展形成了新的切削刃；不同磨削深度條件下，磨削力變化趨勢大致相同，磨削深度越大磨削力中期波動拐點(diǎn)和后期下降拐點(diǎn)出現(xiàn)越早。

磨削力比Fn/Ft與被磨材料物理和機(jī)械性能和磨粒磨損情況有關(guān)。不同磨削深度條件下，磨削力比隨切削次數(shù)變化的對比曲線，如圖3所示。

圖3中，磨削力比Fn/Ft隨切削次數(shù)的增加而波動，在切削次數(shù)達(dá)到13次時降到最低1.17，之后隨著切削次數(shù)的增加波動增長，當(dāng)切削次數(shù)達(dá)到43次時磨削力比Fn/Ft達(dá)到了最大1.72，隨后開始下降；當(dāng)磨削深度為15 μm時，磨削力比前期波動拐點(diǎn)和最大點(diǎn)出現(xiàn)晚于20 μm；磨削深度為25 μm時，磨削力比前期波動拐點(diǎn)和最大點(diǎn)出現(xiàn)早于20 μm；磨削力比Fn/Ft的下降可以解釋為磨粒銳度提高，PCBN材料固有的自銳特性會在磨削過程中發(fā)生破碎，形成新的切削刃。

圖2 磨削力隨切削次數(shù)變化曲線

圖3 磨削力比隨切削次數(shù)的變化

2.2 磨粒磨損

不同次數(shù)后，磨粒磨削高溫鎳基合金的超景深圖片如圖4所示。

圖4 PCBN磨粒不同磨削次數(shù)后表面形貌圖

圖4中，磨粒未切削材料時磨粒表面磨粒尖端完整，切削刃鋒利；經(jīng)過15次切削后，磨粒尖端前部和后刀面有微破碎剝落,尖端有磨屑粘附，切削刃附近有裂紋出現(xiàn)；當(dāng)切削次數(shù)達(dá)到46次后，磨粒尖端附近裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致破碎增大，表現(xiàn)為磨粒尖端被磨平，磨粒尖端磨平變鈍導(dǎo)致磨粒受到工件材料擠壓作用增強(qiáng)，受磨粒與工件接觸應(yīng)力和切削溫度影響，磨粒表面裂紋沿切削刃擴(kuò)展；當(dāng)切削次數(shù)達(dá)到61次時，磨粒切削刃附近微裂紋的擴(kuò)展直接導(dǎo)致宏觀破碎并形成新的切削刃。

由此可見，磨粒磨損主要發(fā)生在磨粒尖端及切削刃附近。磨粒磨損可以分為兩個階段：(1)初期磨損，主要為磨粒尖端上部及后刀面發(fā)生微破碎，切削刃附近有微裂紋出現(xiàn)，并在磨粒尖端有磨屑粘附，磨屑粘附導(dǎo)致了磨粒出現(xiàn)摩擦磨損，磨粒表面裂紋的擴(kuò)展會進(jìn)一步擴(kuò)大，磨粒尖端破碎面積表現(xiàn)為尖端磨平；(2)穩(wěn)定磨損，磨粒尖端出現(xiàn)磨平磨損后與工件接觸面積增大，前端受到接觸壓力增大，磨粒表面裂紋沿切削刃擴(kuò)張形成宏觀破碎出現(xiàn)新的切削刃。

2.3 橫截面輪廓

通過SM-1000掃描單顆粒磨削磨痕，可以獲得磨痕三維形貌信息，如圖5所示。

圖5 磨痕三維形貌圖

該試驗采用磨粒為棱錐型，劃痕呈梭形輪廓，由于劃擦軌跡是圓弧狀，磨痕深度和寬度先增大后減小，磨粒切入端和切出端劃痕深度小于劃痕中部。

圖5中，磨粒與材料剛開始接觸為滑擦階段，材料發(fā)生輕微塑性變形；材料堆積在磨粒前端未形成磨屑；隨著磨粒的切入，進(jìn)入犁耕階段，在磨痕兩邊開始出現(xiàn)材料堆積；在磨痕切出端由于磨粒前端對材料擠壓作用增強(qiáng)，材料堆積達(dá)到了最大。

磨痕橫截面變化圖如圖6所示。

圖6 磨痕橫截面變化圖

通過分析磨痕三維形貌圖，可以獲得磨痕橫截面堆積面積和磨痕溝槽信息，磨痕溝槽輪廓反應(yīng)了磨粒輪廓變化。

圖6中給出了磨痕橫截面輪廓信息，磨粒未磨損時磨粒尖端完整切削刃鋒利，磨痕溝槽形狀呈頭部較尖的v字形形態(tài)；隨著磨削次數(shù)的增加，磨痕橫截面輪廓底部出現(xiàn)不規(guī)則變化，這是由于磨粒尖端受到材料擠壓出現(xiàn)破碎；隨著磨削次數(shù)繼續(xù)增加，磨粒磨損加劇，表現(xiàn)為磨痕底部扁平，這是由于磨粒尖部微破裂增大，磨粒表現(xiàn)為尖端磨平磨損；隨著磨削次數(shù)進(jìn)一步增加，磨痕橫截面兩邊與底部連接處向弧狀轉(zhuǎn)變，且磨痕兩邊堆積面積減小，這是由于磨粒切削刃發(fā)生斷裂磨粒，磨粒尖端磨平消失，磨粒重新銳化。

磨痕橫截面輪廓信息反映出的磨粒形貌變化與上節(jié)試驗測得的磨粒形貌變化基本一致。

?P?Z[13]介紹了材料堆積率，可以定義為總堆積面積與劃痕橫截面面積之比，可以用于量化材料去除率[14]，即：

RS=(S1+S2)/S

(1)

式中：Rs—堆積率；S—磨痕溝槽橫截面面積；S1，S2—磨痕兩邊堆積面積。

在磨削速度vs=65 m/s、磨削深度ap=20 μm條件下，磨痕堆積率沿磨削方向的變化如圖7所示。

圖7 磨痕堆積率

由圖7可知：在磨粒與工件剛接觸時，磨粒與工件主要是彈性滑擦作用，工件材料堆積在磨粒前端面，并向兩側(cè)流動，因此，磨粒在切入階段材料堆積率逐漸上升達(dá)到37%。隨著磨粒繼續(xù)切入，磨粒前端材料堆積達(dá)到臨界值，工件材料開始以切屑形式被去除，磨痕兩邊材料堆積出現(xiàn)減小趨勢。在磨粒與工件最后接觸階段，材料堆積率迅速增大，這是由于材料受到磨粒劇烈擠壓作用，材料開始向磨痕兩側(cè)流動形成大量材料堆積達(dá)到了133%。

在磨削速度vs=65 m/s、切削深度ap=20 μm時，磨粒經(jīng)過不同劃擦次數(shù)后，工件材料堆積率變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 堆積率隨切削次數(shù)變化

由圖8可以看出：

磨粒未出現(xiàn)磨損時工件材料堆積率為22%，此時磨粒切削刃鋒利，材料大多以切屑的形式被去除；隨著劃擦次數(shù)的增加，磨粒出現(xiàn)磨損變鈍導(dǎo)致材料堆積率逐漸升高達(dá)到60%；當(dāng)劃擦繼續(xù)增加達(dá)到46次時，可以看到材料堆積率開始下降；劃擦次數(shù)為61次時，材料堆積率最低達(dá)到45%左右，這是由于磨粒磨損變鈍磨粒前端受到接觸壓力增大,磨粒表面微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成宏觀破碎出現(xiàn)新的切削刃，從而進(jìn)一步降低了材料堆積率。

3 結(jié)束語

(1)單顆PCBN磨粒高速磨削Inconel718磨削力比Fn/Ft在磨削過程中先增加后減小，磨削力比Fn/Ft的增加與磨粒發(fā)生磨損鈍化有關(guān)，磨粒破碎發(fā)生銳化可以在一定程度降低磨削力比Fn/Ft；磨削深度增加，磨削力比拐點(diǎn)提前；

(2)磨粒磨損分為兩個階段，第一階段表現(xiàn)為磨粒尖端發(fā)生材料粘附和破碎導(dǎo)致磨粒尖部被磨平，切削刃附近出現(xiàn)微裂紋；第二階段PCBN磨粒切削刃附近微裂紋擴(kuò)展形成宏觀破碎出現(xiàn)新的切削刃；

(3)磨削加工過程中，材料堆積率隨磨削次數(shù)的增加上下波動大致呈上升趨勢，前期材料堆積率由20%逐漸增加到62%，隨后下降達(dá)到46%。