沈平華，傅玉燦，田 霖

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

0 引 言

高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，且耐腐蝕、耐磨性能好，然而優(yōu)異的使用性能決定了高溫合金的難加工特性。由于高溫合金在較高溫度下仍具有很高的強(qiáng)度，因此磨削力較大，同時(shí)高溫合金的熱導(dǎo)率較低，磨削過(guò)程溫度高，砂輪易發(fā)生粘附，從而導(dǎo)致磨削燒傷。為此，研究高溫合金高速磨削機(jī)理對(duì)提高其加工效率具有重要意義。

因單顆磨粒在磨削過(guò)程中的磨削痕跡不受其他磨粒影響，從而成為研究磨削機(jī)理的有效手段［1］。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)單顆磨粒磨削試驗(yàn)中磨削力、磨屑形態(tài)及磨粒磨損等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。Desa［2］等將磨粒想象為簡(jiǎn)單的幾何形狀，用形狀規(guī)則的磨料做滑擦和磨削試驗(yàn)來(lái)研究磨削力和磨屑的形成。而實(shí)際磨粒形狀往往是不規(guī)則的，繼而又有學(xué)者采用實(shí)際磨削所用的剛玉和CBN（立方氮化硼）磨粒來(lái)完成單顆磨粒磨削試驗(yàn)，以此來(lái)研究磨削機(jī)理。結(jié)果表明，磨粒前角對(duì)法向磨削力的影響比對(duì)切向磨削力的影響更大，且磨粒負(fù)前角越大，法向磨削力越大；磨粒負(fù)前角增大導(dǎo)致摩擦角減?。?］。馮寶富［4］等將單顆磨粒粘接在特制的螺栓頭上，將工件安裝在固定于主軸箱的夾具上，靠工作臺(tái)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)磨粒對(duì)工件的低速滑擦；高速滑擦則是將工件安裝到圓盤(pán)上，靠主軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，提高磨削速度有利于降低比磨削能，高速條件下剪切區(qū)材料軟化效果增強(qiáng)，比磨削能有可能低于比熔化能。

以往的單顆磨粒磨削試驗(yàn)中，磨粒切除磨屑的最大厚度等于砂輪的磨削深度，磨屑長(zhǎng)度也遠(yuǎn)大于實(shí)際磨削弧長(zhǎng)。這樣，一方面使得磨屑形態(tài)與實(shí)際磨削大不相同，另一方面也使得磨粒的載荷過(guò)大，從而導(dǎo)致磨削力、溫度及磨粒磨損都不能與實(shí)際磨削情況相同。為此，作者新設(shè)計(jì)了一種單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡和單顆磨粒磨削試驗(yàn)方法，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究不同砂輪線(xiàn)速度磨削GH4169高溫合金時(shí)的磨屑形態(tài)及磨削力。

1 單顆磨粒磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法及方案

圖1為實(shí)際磨削中磨粒磨削材料的過(guò)程示意，在磨粒的磨削過(guò)程中，磨屑厚度是不均勻的，磨屑的最大厚度稱(chēng)為單顆磨粒最大未變形切屑厚度，簡(jiǎn)稱(chēng)為單顆磨粒切厚，通常用agmax表示。agmax是磨削中重要的物理量，是單顆磨粒平均切厚的基礎(chǔ)，也是單顆磨粒磨削試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。它對(duì)磨削力、磨削溫度有直接影響，是影響砂輪磨損、磨削加工質(zhì)量的決定性因素。單顆磨粒切厚agmax的大小與砂輪線(xiàn)速度vs、工作臺(tái)進(jìn)給速度vw、切深ap、砂輪直徑ds有關(guān)，引入有效磨粒間距λ（本試驗(yàn)λ為1 024mm），通過(guò)理論計(jì)算可得［5］：

單顆磨粒磨削試驗(yàn)的關(guān)鍵在于試驗(yàn)過(guò)程要能夠與實(shí)際磨削中磨粒與材料相互作用的情形一致。實(shí)際磨削中，單顆磨粒切厚和磨削深度是兩個(gè)不同的概念。由于實(shí)際磨削中磨削弧區(qū)內(nèi)有許多磨粒參與磨削，磨削深度可認(rèn)為由眾多單顆磨粒切厚所組成，因而單顆磨粒切厚往往比磨削深度要小很多。

單顆磨粒磨削試驗(yàn)中，滑擦軌跡如圖2（a）所示，則單顆磨粒切厚等于磨削深度，即agmax＝ap。而實(shí)際磨削中由于磨粒眾多，磨?；恋能壽E如圖2（b）所示，即磨粒后一次劃過(guò)的軌跡必然有一部分在前一次劃過(guò)的溝槽里，亦即只有當(dāng)agmax?ap時(shí)，單顆磨粒試驗(yàn)才較為接近實(shí)際磨削情形。

根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，得到如下公式：

只有當(dāng)vw和vs滿(mǎn)足式（2）中的關(guān)系時(shí)，才能使單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡更加接近實(shí)際，這樣得到的試驗(yàn)結(jié)果才更加合理。

此外，從式（1）可以看出，當(dāng)切深ap為定值時(shí)，若保持vw和vs的比值恒定，單顆磨粒切厚即可保持定值。而單顆磨粒切厚與磨削力存在如下關(guān)系［6］：

式中：Ft為切向磨削力；Nd為動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)；kt為每切削刃橫截面積上的切向磨削力，只與工件材料相關(guān)；mt為常數(shù)，取決于工件材料和磨削條件。

保持速比（砂輪線(xiàn)速度vs與工件進(jìn)給速度之比vw）為3 600，ap為0.03mm，改變砂輪線(xiàn)速度vs（分別為20，40，60，80，100，120m·s－1）進(jìn)行單顆磨粒磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中采用KISTLER9272型三相壓電晶體測(cè)力儀測(cè)單顆磨粒的磨削力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在PROFIMAT MT 408型高速平面精密磨床上進(jìn)行。該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000r·min－1，工作臺(tái)最大進(jìn)給速度為25m·min－1，冷卻液出口壓力1.5MPa，采用M5000型動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行在線(xiàn)動(dòng)平衡。

圖3為試驗(yàn)用單顆磨粒磨削用鑲塊砂輪，它主要由砂輪基體、平衡節(jié)塊、單顆磨粒節(jié)塊、壓緊螺釘、頂緊螺釘組成。單顆磨粒節(jié)塊上釬焊有金剛石磨粒，平衡節(jié)塊為鋼材料，只起平衡作用。單顆磨粒節(jié)塊上兩個(gè)螺釘孔為帶有臺(tái)階面的通孔，不起定位作用，壓緊螺釘通過(guò)螺釘孔將節(jié)塊壓緊在砂輪基體上，起固定節(jié)塊作用。單顆磨粒節(jié)塊頂部為兩個(gè)斜面，頂緊螺釘在節(jié)塊底部擰緊后將兩個(gè)斜面與砂輪基體的斜面壓緊，起到定位作用。頂緊螺釘擰緊后節(jié)塊即定位好，然后擰緊壓緊螺釘，通過(guò)這兩個(gè)裝配環(huán)節(jié)確保節(jié)塊在隨砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，既保持與定位面的緊密接觸，又不會(huì)由于離心力作用飛離出砂輪基體。

單顆磨粒節(jié)塊采用釬焊工藝來(lái)制作，如圖4所示。釬焊可以保證磨粒與基體材料間有很高的連接強(qiáng)度，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磨粒可承受較大磨削力而不發(fā)生脫落。試驗(yàn)時(shí)，采用逆磨方式對(duì)GH4169高溫合金試件進(jìn)行單顆磨粒磨削試驗(yàn)，并且在磨削出口處固定集屑裝置，以采集磨屑，并采用QUANTA 200型掃描電鏡對(duì)磨屑形貌進(jìn)行了觀(guān)察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂輪速度對(duì)磨屑形態(tài)及磨削溝痕的影響

由圖5可見(jiàn)，在不同的砂輪速度下磨屑均存在光滑和粗糙的兩個(gè)表面，其中光滑面即磨粒與磨屑的接觸面，粗糙面是成屑時(shí)的自由面。由于磨粒在磨削時(shí)與工件以負(fù)前角相接觸，因此磨屑在成屑階段會(huì)沿著磨粒表面（類(lèi)似于切削加工中的前刀面）向上流動(dòng)，接觸面保持光滑狀態(tài)，自由面不斷形成隆起，因而變得粗糙。與高速下相比，低速下所形成的磨屑更加光滑。

磨屑粗糙面如同切削加工的切屑一樣，帶有顯著的鋸齒狀特征，高速時(shí)鋸齒狀條紋的寬度為4～5μm。這表明在磨削過(guò)程中，高溫合金發(fā)生了劇烈的剪切滑移現(xiàn)象，條紋與條紋相接處是剪切滑移集中的地方，而在條紋的中間，幾乎不存在塑性變形。這些特征是由高速磨削所引起的，高溫合金在高溫及大應(yīng)變率的條件下被去除，因而磨屑會(huì)出現(xiàn)絕熱剪切和滑移的現(xiàn)象。低速時(shí)鋸齒狀條紋寬度相比高速下要小很多，只有1～2μm。這表明，剪切滑移現(xiàn)象在低速下不明顯。

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)砂輪速度分別為20m·s－1和100m·s－1時(shí)，由于是同一磨粒磨削試驗(yàn)，磨粒刃口截面的形狀相同，因此圖中磨削方向的磨削痕跡及其密集程度也一致。這說(shuō)明磨粒磨損并不嚴(yán)重，試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的可信度高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高速條件下磨削溝痕底部要比低速下的光滑。這說(shuō)明在單顆磨粒切厚不變時(shí)，提高磨削速度可以減小工件表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。另外，高速下粘附現(xiàn)象也較少，材料更易分離工件表面。

2.2 砂輪速度對(duì)磨削力的影響

當(dāng)砂輪線(xiàn)速度vs＝100m·s－1，工件進(jìn)給速度vw＝200mm·min－1，切深ap＝0.03mm，采樣頻率f＝8 000Hz的條件下，隨著工件的進(jìn)給，磨粒切入工件，磨削力也從零附近開(kāi)始上升，當(dāng)磨粒進(jìn)入磨削弧區(qū)磨到工件材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似脈沖的信號(hào)。當(dāng)磨粒離開(kāi)磨削弧區(qū)，脈沖信號(hào)就開(kāi)始下降，由于砂輪的轉(zhuǎn)速較高，信號(hào)還未下降到零處時(shí)，磨粒再一次進(jìn)入磨削弧區(qū)，產(chǎn)生新的信號(hào)。因此，由圖7可見(jiàn)信號(hào)形如一系列脈沖信號(hào)的累積。隨著磨削的進(jìn)行，磨削力最大值雖然有變化，但是保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。當(dāng)磨粒磨出工件時(shí)，磨削力下降。

理論上，當(dāng)單顆磨粒切厚一致時(shí)，由式（3）可以認(rèn)為磨削力的大小是定值。由圖8可知，定速比條件下，隨著砂輪線(xiàn)速度的增大，單顆磨粒磨削力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

大應(yīng)變率條件下材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度或變形抗力比準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)要低，絕熱溫升將導(dǎo)致材料的熱軟化，并形成絕熱剪切帶［7］。顯然，隨著砂輪線(xiàn)速度的提高，去除材料時(shí)磨屑應(yīng)變率將越來(lái)越大。在大應(yīng)變率條件下，GH4169高溫合金的變形是一個(gè)絕熱過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，高溫的熱軟化作用非常明顯，是影響材料性能主要的因素，因而導(dǎo)致材料極易發(fā)生絕熱失穩(wěn)剪切，從而發(fā)生剪切滑移變形。這與前面得出高速時(shí)存在絕熱剪切和滑移變形的結(jié)論一致。與此同時(shí)，對(duì)磨削溝痕進(jìn)行觀(guān)察時(shí)，也得出高速條件易于使材料分離工件表面的觀(guān)點(diǎn)。這就說(shuō)明，隨著砂輪線(xiàn)速度提高，單顆磨粒的磨削力減小，高溫合金材料更易于磨削。

3 結(jié) 論

（1）提出了一種新的單顆磨粒試驗(yàn)方法，可對(duì)實(shí)際磨削過(guò)程進(jìn)行模擬，所得單顆磨粒切厚與agmax的理論計(jì)算值相一致。

（2）金剛石單顆磨粒高速磨削下GH4169高溫合金的磨屑帶有鋸齒狀條紋的特征；提高砂輪線(xiàn)速度可獲得更好表面質(zhì)量的工件。

（3）保持速比一定的條件下，單顆磨粒磨削力隨著砂輪線(xiàn)速度的增大而減小，這意味著GH4169高溫合金在高速時(shí)更易于磨削。

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