超聲輔助磨削GH4169高溫合金工藝研究

王晨旭，徐念偉，張 園，康仁科，宋洪俠，鮑 巖

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

GH4169高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性，在航空航天、化學(xué)能、核能等關(guān)鍵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。例如，“太行發(fā)動機(jī)-中國制造”的第三代大型軍用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，采用了以GH4169為材料制造的261個部件[2]。良好的表面加工質(zhì)量是保證航空發(fā)動機(jī)使用性能的基本要求，但由于GH4169材料具有低熱導(dǎo)率、高表面硬化等特點，是典型的難加工材料，若采用傳統(tǒng)磨削對其加工，無法達(dá)到預(yù)期的加工效果。但是，傳統(tǒng)的磨削加工由于成本較低、使用方便并且是精加工必要工序，至今仍是加工GH4169材料的首選手段。

Sinha等[3]在干燥條件下分別用SiC和Al2O3砂輪對GH4169高溫合金進(jìn)行磨削試驗，并用EDX及XRD方法對磨削表面進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)磨削GH4169時，砂輪磨損較為嚴(yán)重，其主要原因是高磨削溫度下磨料與工件的化學(xué)反應(yīng)。Tso[4]研究了用不同砂輪磨削GH4169高溫合金的磨損情況，分別用磨料碳化硅（GC）、氧化鋁（WA）和立方氮化硼（CBN）砂輪進(jìn)行試驗，測定了不同砂輪對磨削表面粗糙度、磨削力和尺寸精度的影響，發(fā)現(xiàn)與碳化硅砂輪和氧化鋁砂輪相比，立方氮化硼砂輪是最適合磨削GH4169高溫合金材料的砂輪。

對于磨削加工而言，GH4169的難加工性主要體現(xiàn)在磨削力大、砂輪嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致磨削表面加工質(zhì)量差、砂輪使用壽命低、效率低等弊端。國內(nèi)外學(xué)者通過引入超聲輔助技術(shù)發(fā)現(xiàn)，超聲輔助磨削能有效改善難加工材料的可加工性及表面質(zhì)量[5]。Zahedi等[6]發(fā)現(xiàn)超聲輔助磨削與普通磨削相比，在加工氧化鋁和氧化鋯復(fù)合陶瓷外圓柱表面時，磨削能量可降低35%以上。Ning等[7]指出旋轉(zhuǎn)超聲加工在每種刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度組合下產(chǎn)生的進(jìn)給切削力、軸向切削力和扭矩值均低于普通磨削加工。Geng等[8]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲橢圓加工可減小切削力2%~43%，延長刀具壽命1.98倍，改善表面完整性。根據(jù)Gao等[9]和Jia等[10]的研究，與干磨相比，多角度二維超聲輔助磨削可大大降低ZrO2陶瓷的表面粗糙度值。目前的超聲輔助磨削加工研究對象主要是復(fù)合材料和陶瓷材料，有關(guān)金屬材料尤其是高溫合金材料的超聲輔助磨削工藝研究較少。劉立飛等[11]通過超聲輔助磨削加工SiC對比試驗，研究了不同磨削加工方式對表面形貌與亞表面損傷的影響，發(fā)現(xiàn)超聲輔助磨削加工后的工件表面的磨削劃痕與凹坑減少，而普通磨削時形成的微觀裂紋更深，說明在相同磨削參數(shù)下，超聲輔助磨削具有更好的加工效果，且加工效率更高。Gong等[12]對硬脆材料的超聲側(cè)磨進(jìn)行了研究，表明超聲振動的引入降低了磨粒磨損，延長了砂輪的使用壽命。

上述研究均表明，超聲振動的引入會對材料去除方式、磨削力產(chǎn)生、砂輪磨損行為帶來影響，進(jìn)而影響材料表面形貌，對工件的接觸應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性等也有重要影響。目前針對超聲輔助磨削GH4169的研究尚不深入，在分析工藝參數(shù)對磨削力、砂輪磨損與表面形貌的影響方面研究也不夠充分，因此有必要對超聲磨削高溫合金加工機(jī)理做進(jìn)一步研究。本文主要研究超聲輔助磨削GH4169時，磨削參數(shù)與超聲參數(shù)對磨削力、砂輪磨損及表面形貌的影響規(guī)律，以期調(diào)整、控制、提高GH4169的磨削質(zhì)量。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗條件

超聲輔助磨削試驗選用NHX8000立銑機(jī)床，并在機(jī)床上建立超聲振動系統(tǒng)。選用切削性能好、耐磨性好、導(dǎo)熱性好的CBN砂輪進(jìn)行加工，磨削力和砂輪磨損試驗時采用金屬結(jié)合劑砂輪，表面形貌試驗采用陶瓷結(jié)合劑砂輪。用9119AA2型三向測力儀測量磨削力，用超景深三維顯微鏡分別觀察超聲輔助磨削和普通磨削條件下的砂輪形貌，用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察其表面形貌。

1.2 試驗方案

超聲輔助磨削力試驗采用單因素試驗法，研究了主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf、磨削深度ap及引入超聲對磨削力影響的規(guī)律。試驗參數(shù)見表1，共計24組試驗。測力試驗在前述三軸立銑機(jī)床上進(jìn)行，并安裝9119AA2型三向力測力儀（圖1）。

表1 磨削力試驗參數(shù)

圖1 試驗及測量設(shè)備

砂輪磨損試驗采用兩個相同的CBN金屬結(jié)合劑砂輪進(jìn)行超聲磨削、普通磨削對比試驗，其中vf=40 mm/min、ap=20μm、n=2000 r/min；采用的砂輪直徑16 mm、厚度2 mm、粒徑80#、濃度100%；采用間接測量法，通過測量超聲輔助磨削與普通磨削去除相同體積材料后的砂輪軸向高度，對比砂輪的輪廓磨損情況；達(dá)到理論材料去除量之后，砂輪以固定深度磨削有機(jī)玻璃，通過測量有機(jī)玻璃的高度差來反映砂輪磨損情況。

2 試驗結(jié)果討論與分析

2.1 磨削力試驗結(jié)果分析

圖2反映了進(jìn)給速度變化對磨削力影響的規(guī)律?？梢?，隨著進(jìn)給速度的增加，磨削力整體呈現(xiàn)上升趨勢，這是因為進(jìn)給速度的增大導(dǎo)致磨粒磨削厚度增加，從而導(dǎo)致摩擦力增大。對比超聲磨削力與普通磨削力可知，超聲磨削力小于普通磨削力；隨著進(jìn)給速度繼續(xù)增大，超聲磨削力與普通磨削力差距減小，這是因為較大的進(jìn)給速度使負(fù)載變大，從而抑制了超聲輔助磨削效果。從磨削力比的角度分析，隨著進(jìn)給速度增大，普通磨削的磨削力比逐漸降低，說明普通磨削的塑性去除比例增大，而超聲振動的磨削力比略有上升，說明超聲影響了材料去除方式。

圖2 進(jìn)給速度對磨削力的影響

圖3反映了磨削深度變化對磨削力影響的規(guī)律?？梢姡ハ髁﹄S著磨削深度的增加而增大，這是因為磨削深度和磨屑厚度的增加導(dǎo)致磨削變形力增大。當(dāng)磨削深度為40μm時，普通磨削與超聲輔助的磨削力大小基本相同，這可能是因為磨削深度較大導(dǎo)致超聲振動被抑制，超聲磨削加工效果接近普通磨削加工。

圖3 磨削深度對磨削力的影響

圖4反映了主軸轉(zhuǎn)速對磨削力的影響規(guī)律?？梢姡S著主軸轉(zhuǎn)速的提高，磨削力逐漸降低，普通磨削力與超聲輔助磨削力差值減小。這是因為，在低轉(zhuǎn)速時，磨削材料硬化程度相對較低，同時普通磨削的冷卻條件較差，超聲輔助磨削的優(yōu)勢明顯。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速對磨削力的影響

圖5是磨削過程中砂輪磨損對磨削力的影響曲線?？梢姡曒o助磨削的磨削力整體小于普通磨削的磨削力，同時法向磨削力整體大于切向磨削力。當(dāng)工藝參數(shù)相同時，超聲輔助磨削的磨削力更小，且去除相同體積的材料時，超聲輔助磨削的砂輪切削性能更好，有利于獲得更高質(zhì)量的加工表面，提高磨削效率。

圖5 砂輪磨損對磨削力的影響

2.2 砂輪磨損試驗結(jié)果分析

砂輪磨損量的對比如圖6所示，材料去除量為1500 mm3時，普通磨削砂輪軸向磨損量小于超聲磨削砂輪磨損量，這可能是因為砂輪在超聲振動作用下不斷撞擊工件，材料去除量較小時，撞擊帶來的磨粒破碎和脫落損耗較明顯；當(dāng)材料去除量達(dá)到2500 mm3時，超聲輔助磨削相比于普通磨削磨損量減少26%，這是由于超聲磨削的磨削力更小，在長時間加工中更能保持砂輪性能。

圖6 砂輪磨損量對比

在材料去除量達(dá)到3000 mm3時，觀測超聲輔助磨削及普通磨削砂輪端面磨粒得到的磨粒形態(tài)分別見圖7和圖8。從圖7可見，磨粒出現(xiàn)磨耗平面，說明普通磨削以磨耗磨損為主，磨削狀態(tài)穩(wěn)定，磨粒磨削時間較長，且有磨粒脫落現(xiàn)象。從圖8可見，超聲輔助磨削下的磨損多為破碎磨損，造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是超聲輔助磨削加工的磨粒在旋轉(zhuǎn)過程中做高頻振動，反復(fù)的沖擊力使得磨粒內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終破碎；另一方面，超聲振動的引入改善了磨削區(qū)的冷卻條件[13]，高磨削溫度下冷卻液瞬間進(jìn)入，磨粒表面溫度從約1000℃瞬間降低，使得磨粒內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而出現(xiàn)破碎現(xiàn)象；磨粒破碎后的碎片劃出，在材料表面留下痕跡。破碎磨損發(fā)生后的磨粒仍有鋒利的切削刃，能保持較好的磨削性能。

圖7 普通磨削磨粒磨損形態(tài)（V m=3000 mm3）

圖8 超聲輔助磨削磨粒磨損形態(tài)（V m=3000 mm3）

2.3 表面形貌試驗結(jié)果分析

圖9是不同參數(shù)時的超聲輔助磨削和普通磨削的加工表面形貌比較。如圖9a所示，在主軸轉(zhuǎn)速n=2000 r/min、工件速度vf=20 mm/min、磨削深度ap=20μm情況下，普通磨削表面較平整，紋路清晰，表面堆積現(xiàn)象不明顯，說明此時塑性變形較小，而超聲磨削（A=3μm、f=26 500 Hz）的表面堆積現(xiàn)象較明顯，同時沒有明顯紋路，這是超聲磨削的磨粒軌跡干涉的結(jié)果。

如圖9b所示，當(dāng)進(jìn)給速度從20 mm/min提高到60 mm/min時，普通磨削的磨粒干涉現(xiàn)象更明顯，這是因為大進(jìn)給速度下的材料去除率較低，留下方向不一的切削軌跡；同時，由于進(jìn)給速度較大，磨粒去除材料時的耕犁作用更大，溝槽間的隆起更明顯，磨粒與材料的擠壓變形更大，材料堆積在磨粒軌跡兩側(cè)，波峰更尖銳。而相同參數(shù)下，超聲輔助磨削形成了更均勻的“魚鱗”狀紋路，且表面更平整，雖有磨粒凹坑出現(xiàn)，但沒有明顯的材料堆積，加工效果較好。

如圖9c所示，當(dāng)磨削深度增加到40μm時，普通磨削的表面溝槽深度隨之增大，材料堆積在溝槽兩側(cè)，塑性變形明顯；而超聲輔助磨削的材料表面的“魚鱗”變得更加均勻，主要是因為磨削深度增加，使得砂輪的軸向振動更加穩(wěn)定。

如圖9d所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高到4000 r/min時，單個磨粒的磨削厚度減小，單位時間內(nèi)同一磨削區(qū)內(nèi)的有效磨粒數(shù)增加，微觀表面輪廓峰起伏減小，晶粒密度增大，磨粒間距減小，犁削深度更加均勻；超聲輔助磨削的粗糙度與普通磨削的粗糙度差值反而變大，存在明顯的堆積和脫落痕跡。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，超聲軌跡運動的磨粒切削弧長更長，表面質(zhì)量更差，這是因為GH4169材料在高轉(zhuǎn)速下的導(dǎo)熱性差、磨削溫度高，導(dǎo)致磨粒粘附和材料變形，凹坑尺寸大，堆積更嚴(yán)重，塑性變形明顯。

圖9 超聲輔助磨削與普通磨削的表面形貌比較

3 結(jié)論

本文從磨削力、砂輪磨損及表面形貌三個方面對GH4169高溫合金的超聲磨削過程進(jìn)行了研究。同時，針對磨削力和表面形貌對比研究了超聲振動磨削與普通磨削的影響，得出以下結(jié)論：

（1）超聲振動能顯著降低磨削力。隨著砂輪磨損的累積，超聲輔助磨削的磨削力增長速度比普通磨削慢。

（2）超聲輔助磨削能有效減少砂輪的磨損。超聲引入后，磨粒的磨損形式主要是破碎磨損，有利于保持切削性能、降低磨削力，延長砂輪使用壽命。

（3）在超聲磨削條件下，磨粒的運動軌跡受到干擾，觀察到“魚鱗”的表面特征，表面物質(zhì)積累明顯；而普通磨削表面較光滑，晶粒清晰，表面堆積現(xiàn)象不明顯。當(dāng)進(jìn)給速度較大時，在普通磨削過程中會出現(xiàn)較深的溝槽和材料凸起；但超聲磨削變形小，表面質(zhì)量好。