李本凱，丁文鋒，馬艷艷，肖 紅，黃慶飛，司文元，楊 嘉

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2.蘇州遠東砂輪有限公司，蘇州 215151；3.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司，西安 710021）

GH4169鎳基高溫合金以其優(yōu)良的高溫性能，如優(yōu)異的強度、熱穩(wěn)定性、熱延展性、耐疲勞和抗腐蝕性，成為航空發(fā)動機盤/軸/葉片/機匣等核心關(guān)鍵零部件最常用的材料之一[1-2]。然而，這些優(yōu)良的性能也使得GH4169材料成為了典型的難加工材料[3-4]。砂輪磨削是鎳基高溫合金材料高效精密加工的重要方式，對于零件的加工精度和表面完整性具有重要影響[5-6]。但是，磨削過程中鎳基高溫合金也存在磨削力大和溫度高、砂輪磨損嚴重、功耗高等難點[7-8]，同時鎳基高溫合金表面極易產(chǎn)生硬化層、殘余應力、白層以及晶粒變形等問題[9]。因此，深入研究鎳基高溫合金的磨削加工性，開發(fā)高效磨削工具和工藝對提高鎳基高溫合金的加工效率和質(zhì)量具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者在鎳基高溫合金磨削加工方面進行了眾多研究。Qian 等[10]采用剛玉砂輪進行了K4125 和GH4169的對比試驗，對兩種材料的磨削加工性能進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)同等條件下，K4125的磨削力和磨削溫度高于GH4169，工件表面粗糙度值也明顯大于GH4169；同時，磨削K4125時砂輪磨損比磨削GH4169時砂輪磨損嚴重。?y?ka 等[11]采用剛玉砂輪磨削GH4169，研究了砂輪線速度對磨削表面完整性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著砂輪線速度增加，表面粗糙度Ra值降低，當砂輪線速度從22m/s 增大到25m/s，表面粗糙度Ra值降低了約30%；然而隨著砂輪磨損程度增大，表面粗糙度Ra值進一步增大。Miao等[12]進行了棕剛玉砂輪和微晶剛玉砂輪磨削GH4169鎳基變形高溫合金、DZ408 定向鑄造高溫合金、DD6鎳基單晶高溫合金的對比試驗，研究了砂輪磨損對工件表面缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)棕剛玉砂輪磨削表面的缺陷形態(tài)與磨削方向不平行，主要原因是晶粒的脫落和斷裂在磨削力作用下重新參與磨削，但是磨削方向不受控制；而微晶剛玉砂輪磨削時，大塊破碎和脫落情況較少，但由于晶粒的高延展性和硬度在磨削方向上產(chǎn)生了較深的微小溝槽缺陷。Yao 等[13]進行了剛玉砂輪和CBN 砂輪磨削GH4169的對比試驗，結(jié)果表明剛玉砂輪磨削得到了較好的工件表面完整性，在磨削參數(shù)為磨削深度ap=0.005mm、工件進給速度vw=16m/min、砂輪線速度vs=25m/s時，獲得的表面粗糙度為Ra=0.112μm。

雖然以上文獻對GH4169材料的磨削加工開展了研究，然而由于航空發(fā)動機零件加工效率與表面質(zhì)量的要求越來越高，目前廣泛采用的剛玉砂輪在一定程度上已經(jīng)難以滿足不斷提高的加工需求，因而亟需研制和應用性能更加優(yōu)良的剛玉砂輪。為此，本文針對新研制的3種剛玉砂輪，通過GH4169材料磨削試驗對磨削力、磨削溫度、砂輪磨損以及表面粗糙度等進行對比分析，進而對3種砂輪的磨削加工能力進行評價，為新型剛玉砂輪的研制與優(yōu)選提供支撐。

試驗材料與設備

試驗使用的工件材料為GH4169鎳基變形高溫合金，工件尺寸為25mm×50mm×5mm，其化學成分與力學性能見表1和表2。GH4169材料在室溫下的拉伸強度和屈服強度分別為1502MPa 和1360MPa。使用3種剛玉砂輪進行平面磨削試驗，砂輪寬度為bs=20mm。3種砂輪分別為粒度為60#的單晶和微晶混合磨料砂輪（SA/SGF60L6V）、60#單晶剛玉砂輪（SAF60L6V）和70#單晶剛玉砂輪（SAF70L6V），表面形貌如圖1所示。

磨削試驗在BLOHM PROFIMAT MT-408 高速平面磨床上進行，最大主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，輸出功率為45kW。試驗裝置如圖2所示。試驗條件分別為磨削方式采用順磨，工件磨削寬度為5mm，冷卻液為5%的乳化液，冷卻液壓力和流量分別為1.5MPa 和90L/min；磨削參數(shù)如表3所示。磨削力采用KISTLER 9317C型三通道壓電測力儀及KISTLER 5018型功率放大器進行測量，測力儀X、Y、Z3個方向的固有頻率分別為5kHz、5kHz 和20kHz，分別采用測力儀的X向測量法向磨削力、測力儀Z向測量切向磨削力。磨削溫度采用自然熱電偶法進行測量，熱電偶由待加工工件、云母片和康銅絲組成。云母片的作用是使工件和康銅絲不接觸；密封膠的作用是在磨削加工過程中避免磨削液對熱電偶造成損壞；導線連接到信號采集器用以記錄溫度信號數(shù)據(jù)。采用Mahr M1 粗糙度測量儀測量磨削表面粗糙度，其中針尖直徑為0.2μm，采用高斯濾波，取樣長度為0.8mm。磨削力、磨削溫度和表面粗糙度的試驗結(jié)果均采用5次測量的平均值。工件表面形貌通過Quanta 200 掃描電鏡進行測量。

表1 GH4169材料的化學組成（質(zhì)量分數(shù)）Table1 Chemical composition of GH4169%

表2 GH4169材料的室溫力學性能Table2 Mechanical properties of GH4169 at room temperature

圖1 3種砂輪表面形貌Fig.1 Surface topography of abrasive wheels

結(jié)果與討論

1 磨削力

磨削力是磨削過程中最重要的參量之一，它對砂輪壽命和磨削表面質(zhì)量具有直接影響。圖3為切向磨削力、法向磨削力和磨削力比隨材料去除率的變化規(guī)律。從圖3（a）和（b）中可以看出，隨著材料去除率的增大，3種砂輪磨削GH4169的磨削力總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢。隨著材料去除率從0.16mm3/(mm.s)增大到1mm3/(mm.s)，混合磨料砂輪、粒度60#的單晶剛玉砂輪和粒度70#的單晶剛玉砂輪的切向磨削力分別從27.3N、24.5N 和25.7N增大到102.4N、105.7N和81N，而法向磨削力分別從61.7N、60.6N和55.6N增大到390.2N、333.7N 和250.2N。在相同的磨削參數(shù)下，3種砂輪的切向磨削力和法向磨削力沒有顯著區(qū)別；而擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)當材料去除率大于0.4mm3/(mm.s)時，粒度60#的單晶剛玉砂輪的法向磨削力最小。從圖3（c）中發(fā)現(xiàn)，3種砂輪的力比均保持在2～4.2之間，從擬合的結(jié)果可知，混合磨料砂輪的力比最高，粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削力比最小。這說明磨削過程中混合磨料砂輪表面磨粒鈍化較嚴重，微晶磨粒的自銳性能未能充分發(fā)揮；而粒度60#的單晶剛玉砂輪表面磨粒較鋒利。因此綜合評價磨削力試驗結(jié)果，粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削性能最優(yōu)。

圖2 磨削試驗設備Fig.2 Experimental setup

表3 磨削參數(shù)Table3 Grinding parameters

圖3 材料去除率對切向磨削力、法向磨削力及磨削力比的影響規(guī)律Fig.3 Effects of material removal rate on tangential grinding force,normal grinding force and grinding force ratio

2 磨削溫度

磨削溫度是磨削過程中另一個重要參量。不同于車削與銑削等加工方式，磨削過程中產(chǎn)生的熱量大部分傳入到工件中，造成工件表面溫度的急劇升高。磨削溫度過高會使得磨削表面完整性變差，嚴重影響零件疲勞性能。因此控制磨削溫度是磨削加工中最重要的問題之一。圖4為3種砂輪磨削GH4169的磨削溫度試驗結(jié)果。當材料去除率小于0.83mm3/(mm.s)時，3種砂輪的磨削溫度均在100℃以下，而且3種砂輪的磨削溫度都非常接近，這是因為在當前磨削參數(shù)下，3種砂輪磨削GH4169材料時都處于正常緩進深切磨削過程中，在磨削區(qū)發(fā)生了核態(tài)沸騰換熱現(xiàn)象，從而使得磨削溫度較低[14]。而當材料去除率高于0.83mm3/(mm.s)時，磨削溫度迅速升高到500℃以上，造成了工件表面燒傷。這說明在當前磨削參數(shù)下，磨削區(qū)熱流密度過高，超出了磨削液的冷卻換熱能力，從而使得磨削溫度急劇升高。因而從磨削溫度的試驗結(jié)果可知，3種砂輪磨削GH4169材料不發(fā)生燒傷的最大材料去除率為0.83mm3/(mm.s)。另外發(fā)現(xiàn)，總體上粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削溫度略低于其他兩種砂輪，因此說明該砂輪在磨削GH4169材料上性能更優(yōu)。

3 表面粗糙度

磨削表面粗糙度是評價磨削加工質(zhì)量的重要參數(shù)，表面粗糙度較大時容易造成工件表面的應力集中（尤其是在工件表面存在著較深的磨痕時），進而對工件的疲勞壽命造成不利影響。圖5為3種砂輪磨削GH4169的表面粗糙度試驗結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著材料去除率的增大，磨削表面粗糙度值總體上呈現(xiàn)出增大趨勢。隨著材料去除率從0.16mm3/(mm.s)增大到1mm3/(mm.s)，混合磨料砂輪、粒度60#單晶剛玉砂輪和粒度70#單晶剛玉砂輪的磨削表面粗糙度Ra分別從0.24μm、0.25μm 和0.16μm增大到0.92μm、0.97μm 和0.78μm。當材料去除率小于0.83mm3/(mm.s)時，3種砂輪磨削GH4169的表面粗糙度值都小于0.4μm，這說明在正常磨削條件下，3種砂輪磨削GH4169材料的表面粗糙度可以達到零件加工的需求；而當材料去除率大于0.83mm3/(mm.s)時，3種砂輪磨削GH4169的表面粗糙度值都快速升高，混合磨料砂輪和粒度60#單晶剛玉砂輪磨削GH4169的表面粗糙度值都高于0.8μm。從磨削溫度試驗結(jié)果可知，材料去除率超過0.83mm3/(mm.s)時工件發(fā)生磨削燒傷現(xiàn)象，從而造成了磨削表面粗糙度的急劇增大。

4 磨削表面形貌分析

磨削表面形貌主要是由磨粒去除材料形成的溝痕疊加而成，因此工件表面磨粒的狀態(tài)對磨削表面形貌具有重要的影響。圖6為3種砂輪在ap=0.1mm、vw=100mm/min 和vs=25m/s 參數(shù)下的磨削表面形貌。3種砂輪在相同磨削參數(shù)下的表面形貌沒有顯著差異，這從表面粗糙度的試驗結(jié)果中也可以得到印證。

圖4 材料去除率對磨削溫度影響規(guī)律Fig.4 Effects of material removal rate on grinding temperature

圖5 材料去除率對磨削表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.5 Effects of material removal rate on surface roughness

圖6 ap=0.1mm,vw=100mm/min,vs=25m/s條件下磨削表面形貌Fig.6 Grinding surface morphology (ap=0.1mm,vw=100mm/min,vs=25m/s)

圖7為采用3種砂輪磨削GH4169材料過程中出現(xiàn)的典型磨削表面缺陷。圖7（a）中裂紋產(chǎn)生的主要原因可認為是磨削后殘余應力釋放所引起；圖7（b）和（c）中的溝槽以及劃痕主要是由破碎或者脫落磨粒在磨削區(qū)劃擦造成，其中圖7（b）中溝槽較深，這是由于磨粒在磨削力的作用下被壓入材料中劃擦形成；而圖7（c）中劃痕是由于磨粒在工件表面劃擦形成；圖7（b）和（c）中材料涂覆主要由磨粒在工件表面耕犁造成材料的隆起導致。從磨削表面形貌分析可以發(fā)現(xiàn)，磨削表面缺陷的形成主要與砂輪磨損有關(guān)，因此提高剛玉砂輪磨粒的耐磨性也是提高磨削表面質(zhì)量的重要措施。

5 磨削比分析

砂輪磨損是影響砂輪性能發(fā)揮的重要因素，砂輪磨損嚴重時會使得砂輪表面磨粒鈍化，磨除材料能力下降，造成較大的磨削力和較高的磨削溫度，從而導致較差的磨削表面質(zhì)量。磨削比是評價砂輪耐用度的一個重要指標，磨削比較大時說明材料較易加工或者砂輪磨削性能較好。圖8為3種砂輪磨削GH4169材料的磨削比試驗結(jié)果。可知，3種砂輪的磨削比都較小，保持在0.5～3之間。

圖7 典型缺陷Fig.7 Typical defects

圖8 材料去除率對磨削比的影響規(guī)律Fig.8 Effects of material removal rate on grinding ratio

從3種砂輪的組成方面分析，由于微晶磨粒具有良好的自銳性能，因此粒度為60#的微晶和單晶混合磨料砂輪的磨削力和磨削溫度應小于另外兩種砂輪，然而磨削力和磨削溫度的試驗結(jié)果顯示混合磨料砂輪優(yōu)異的磨削性能未能充分發(fā)揮。而就磨削表面粗糙度而言，粒度70#單晶剛玉砂輪雖然磨粒粒徑更小，然而其磨削表面粗糙度相對于粒度60#單晶剛玉砂輪而言，其優(yōu)勢也沒有充分發(fā)揮出來。這主要是與砂輪的磨損以及材料的磨削特性有關(guān)。眾所周知，GH4169材料是典型的難加工材料，采用剛玉砂輪磨削時，砂輪極易出現(xiàn)黏附和堵塞等嚴重的砂輪磨損現(xiàn)象，從而限制了剛玉砂輪磨削性能的發(fā)揮。這可以從剛玉砂輪磨削其他材料的磨削比中得到證實，如Nadolny[15]采用微晶剛玉砂輪在澆注式磨削條件下磨削100Cr6材料時磨削比達到90～120；Kalita 等[16]采用棕剛玉砂輪磨削EN24 鋼的磨削比達到了23。因此砂輪磨損是影響剛玉砂輪磨削鎳基高溫合金類材料性能發(fā)揮的最主要因素。

結(jié)論

本文進行了60#單晶和微晶混合磨料砂輪、60#單晶剛玉砂輪和70#單晶剛玉砂輪磨削GH4169材料磨削加工GH4169鎳基高溫合金的對比試驗研究，對3種砂輪的磨削特性進行了評價，得到以下結(jié)論：

（1）3種砂輪磨削GH4169材料在磨削比、表面粗糙度及表面形貌方面沒有表現(xiàn)出顯著差異，而通過對磨削力和磨削溫度的綜合評價發(fā)現(xiàn)粒度60#的單晶剛玉砂輪的磨削性能更優(yōu)。

（2）3種砂輪在正常磨削條件下，表面粗糙度Ra均在0.4μm以下；砂輪磨損（主要包括磨粒的破碎和脫落）是剛玉砂輪磨削表面缺陷形成的重要原因。