單晶剛玉輪胎磨削鎳基高溫合金表面特征的研究

單晶剛玉輪胎磨削鎳基高溫合金表面特征的研究

高溫材料廣泛應(yīng)用于航空和軍用航空材料的耐熱涂層中。在高溫材料的最終服役表面上，高溫材料的研磨表面或接近加工表面，而干燥表面的質(zhì)量直接影響組件的使用性。然而，高溫材料的研磨和加工強(qiáng)度低，研磨力大，磨損高。車(chē)輪容易粘附、彎曲和磨損。表面研磨比較低（表面研磨比為g.1），不利于獲得良好的表面質(zhì)量，并影響高溫材料組件的服務(wù)性能。表面完整性是一種嚴(yán)重的加工方法，它對(duì)加工的表面狀態(tài)造成損害和惡化。這是材料加工中的一個(gè)重要指標(biāo)，在材料加工中對(duì)組件的耐磨性、疲勞性能和耐熱性具有重要的決定作用。因此，在對(duì)高溫合金材料的研磨和加工中，應(yīng)注意對(duì)表面完整性的控制。KumarS和ChoudhurySK研究了磨削力對(duì)零件表面粗糙度的影響,結(jié)果表明為了獲得較好的表面質(zhì)量,應(yīng)盡量減小振動(dòng)、降低磨削力,同時(shí)還需適當(dāng)提高砂輪的速度.HeckerRL和LiangSY研究了磨削參數(shù)(包括磨削深度、速率比、工件當(dāng)量直徑、砂輪的顯微組織)對(duì)磨削表面粗糙度的影響,并建立了磨削表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型.Peter等研究了高溫合金磨削過(guò)程中的磨削力和磨削溫度對(duì)磨削表面的殘余應(yīng)力的影響.Guo等研究了鎳基高溫合金在采用電鍍氧化硼(CBN)砂輪磨削時(shí)砂輪磨損、加工參數(shù)對(duì)磨削性能的影響等,并建立了磨削功率模型.何玉懷等對(duì)直接時(shí)效GH4169高溫合金的疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.分別研究了厚度、溫度、應(yīng)力比等因素對(duì)直接時(shí)效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響.徐西鵬等針對(duì)磨削溫度對(duì)高溫合金工件表面完整性影響進(jìn)行了分析;并在一臺(tái)精密平面磨床上分別采用SiC,Al2O3和CBN砂輪對(duì)TC4和鎳基高溫合金K417進(jìn)行平面磨削實(shí)驗(yàn),解釋了砂輪磨損機(jī)理.周志雄和毛聰?shù)妊芯苛四ハ鳒囟葘?duì)表面質(zhì)量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)磨削溫度不足以使已磨表面出現(xiàn)明顯燒傷時(shí),磨削溫度對(duì)表面粗糙度值的影響不大.康仁科等通過(guò)對(duì)單顆CBN磨粒和普通磨粒磨損特性的比較以及對(duì)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨損特性和磨削性能的分析,研究了CBN砂輪磨削難加工材料時(shí)磨削液的作用,提出了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削液的選擇依據(jù).任敬心等分析了高溫合金GH33A磨削時(shí)傳入工件表層熱量的百分比;采用數(shù)值解析的方法計(jì)算不同深度處的磨削溫度和殘余應(yīng)力,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.同時(shí)還研究了高溫合金GH4169的磨削特征.其磨削時(shí)砂輪表面存在嚴(yán)重的黏附物使磨削力和磨削溫度顯著增高,磨削比較低.楊茂奎等針對(duì)陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼(CBN)砂輪磨削GH4169高溫合金的磨削加工性和磨削表面完整性進(jìn)行研究,研究了磨削參數(shù)對(duì)磨削力、磨削溫度和磨削比的影響規(guī)律,建立了表面完整性指標(biāo)與磨削參數(shù)之間的關(guān)系.黃新春等通過(guò)GH4169高溫合金平面切入磨削實(shí)驗(yàn),建立了表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式,分析了表面粗糙度對(duì)磨削參數(shù)的靈敏度,獲得了磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域.在上述大部分研究中,主要是針對(duì)磨削力和磨削溫度的作用機(jī)理,以及磨削表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了分析,僅是對(duì)表面完整性的個(gè)別表面指標(biāo)進(jìn)行研究,缺乏對(duì)于表面完整性系統(tǒng)的闡述和對(duì)于磨削表面變質(zhì)層內(nèi)的完整性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析.本文采用正交實(shí)驗(yàn)方法,使用單晶剛玉砂輪平面切入磨削GH4169高溫合金,選用表面完整性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系對(duì)磨削表面完整性(表面粗糙度、表面形貌、微觀(guān)組織、顯微硬度和殘余應(yīng)力)的影響進(jìn)行了研究,以期為高溫合金磨削參數(shù)及進(jìn)行表面完整性控制研究提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ).1表面完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表面完整性是指零件由加工所形成的表面特征和表層特性.表面完整性定義見(jiàn)參考文獻(xiàn)美國(guó)機(jī)械加工切削數(shù)據(jù)手冊(cè),其對(duì)表面完整性的評(píng)價(jià)采用3個(gè)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn).表面完整性的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖1所示:(1)與表面紋理相關(guān)的幾何特征(表面粗糙度、表面波紋度、表面紋理方向和表面缺陷);(2)變質(zhì)層特征:包括表層硬度梯度、殘余應(yīng)力場(chǎng)、微觀(guān)組織變化、塑性變形等.本文選用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組作為評(píng)價(jià)GH4169高溫合金平面磨削的表面完整性的標(biāo)準(zhǔn),主要分析磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面特征、殘余應(yīng)力場(chǎng)、顯微硬度梯度和微觀(guān)組織的影響規(guī)律.2gh4169研磨實(shí)驗(yàn)2.1高溫力學(xué)性能研究采用的試件材料為GH4169鍛造鎳基高溫合金,其屬Ni-Cr-Fe基時(shí)效硬化型合金,熱處理工藝為:鍛后水冷+720℃×8h以50℃/h爐冷到620℃×8h空冷.其主要化學(xué)成份組成見(jiàn)表1.GH4169高溫合金利用其高強(qiáng)度、高耐腐蝕性以及良好的高溫力學(xué)性能,使其在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,其在室溫/高溫下的力學(xué)性能見(jiàn)表2.2.2試件加工和加工實(shí)驗(yàn)采用MM7120A平面磨床;砂輪采用SA80KV,寬度為25mm;磨削方式為切入順磨,采用乳化液冷卻.本文旨在分析砂輪速度、磨削深度和工件速度對(duì)表面完整性的影響,實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)方法,其磨削參數(shù)選擇如表3所示.實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示.表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)采用TR240便攜式表面粗糙度儀,分別在磨削表面垂直磨削方向各取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量粗糙度取平均值,取樣長(zhǎng)度為0.8mm,評(píng)定長(zhǎng)度為4.0mm.表面形貌采用VECOO三維輪廓儀和AMRAY-1000B的掃描電子顯微鏡觀(guān)察.顯微硬度的測(cè)量采用MHT-4顯微硬度測(cè)試計(jì)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)力選擇200g,保持載荷時(shí)間為10s,測(cè)量值為維氏硬度(HV),同時(shí)測(cè)量材料基體內(nèi)的顯微硬度為(440~480HV).殘余應(yīng)力采用XStress3000X射線(xiàn)應(yīng)力分析儀進(jìn)行測(cè)試.沿著已加工試樣磨削方向和垂直于磨削方向切割、制備金相試樣.將切割斷面研磨、拋光后進(jìn)行腐蝕,腐蝕劑配比為鹽酸∶甲醇∶過(guò)氧化氫(3%)等于2.5∶2.5∶1.采用型號(hào)為L(zhǎng)eicaDMI5000M倒置金相顯微鏡對(duì)斷面微觀(guān)組織進(jìn)行觀(guān)察.加工完的試件如圖3所示,試樣尺寸為:30mm×20mm×10mm,選用參數(shù)如表3.3磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度和表面顯微維硬度h和殘余應(yīng)力的影響表4為表面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和表面殘余應(yīng)力σ的測(cè)量結(jié)果,通過(guò)對(duì)表4中測(cè)量結(jié)果與磨削參數(shù)的直觀(guān)分析,可以得到磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra、表面顯微維氏硬度H和表面殘余應(yīng)力σ的影響規(guī)律.3.1基于顯微硬度的表面粗糙度ra的模型分析利用線(xiàn)性回歸分析方法,對(duì)表3、表4中的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)和表面特征測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立了GH4169高溫合金磨削表面特征隨磨削加工參數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)公式,如式(1)所示對(duì)上述回歸方程進(jìn)行相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn),其表面粗糙度的回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.826,說(shuō)明其相關(guān)性是可信的,而且建立的回歸模型是顯著的;其表面顯微硬度的回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.557,表面殘余應(yīng)力的回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.764,說(shuō)明其為中度相關(guān)的;上述特征分析用于揭示與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系是可行的.由上式(1)可得,表面特征對(duì)各磨削工藝參數(shù)的相對(duì)靈敏度即為參變量的指數(shù),即由式(2)可知,在GH4169高溫合金進(jìn)行平面磨削時(shí),表面粗糙度Ra對(duì)工件速度vw的變化最敏感,對(duì)磨削深度ap變化的敏感次之,對(duì)砂輪速度vs的變化最不敏感;表面顯微維氏硬度H對(duì)砂輪速度vs的變化最敏感,對(duì)磨削深度ap變化的敏感次之,對(duì)工件速度vw的變化最不敏感;表面殘余應(yīng)力σ對(duì)砂輪速度vs變化最敏感,對(duì)磨削深度ap變化的敏感次之,對(duì)工件速度vw的變化最不敏感.3.2速度vw和磨削深度的關(guān)系圖4示出是對(duì)表4測(cè)試結(jié)果進(jìn)行直觀(guān)分析,得到磨削工藝參數(shù)對(duì)表面特征的影響.由于采用切入磨的方式,被加工試樣較小,磨削時(shí)砂輪與工件作用面也較小,所以其磨削力和磨削溫度的作用時(shí)間較短,對(duì)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(shí)由于切入磨過(guò)程中由熱塑性變形產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力效果多于有擠光效應(yīng)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力,所以其磨削表面均為殘余拉應(yīng)力.1)由圖4(a)可知,隨著工件速度vw的增加,使已加工表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra增大,因?yàn)樵龃蠊ぜ俣葀w會(huì)使單顆磨粒的未變形切削厚度ag增大.同時(shí),由于磨削力增大,發(fā)熱量加大,從而使塑性變形增大,表層冷作硬化也隨之增大,表面顯微硬度隨之增大.但是隨著工件速度增高,砂輪與工件接觸的時(shí)間縮短,即熱源沿加工表面的移動(dòng)速度加快,熱作用時(shí)間縮短,因而工件速度vw的增加,對(duì)表層冷作硬化和熱應(yīng)力的影響很小,磨削表面殘余應(yīng)力略有升高.2)由圖4(b)可知,隨著磨削深度ap的增加,會(huì)使單顆磨粒未變形磨削厚度ag增大,磨削力加大,因而使表面粗糙度Ra值增大.同時(shí)由于砂輪與工件的磨削接觸弧長(zhǎng)加長(zhǎng),同時(shí)參加的工作磨粒數(shù)增多,磨削過(guò)程中的磨屑變形力及摩擦力均增大的關(guān)系,使工件表面溫度升高,表層冷作硬化隨之增大,表面顯微硬度隨之增大,表層塑性變形的作用加大,比磨能增大,磨削溫度增高,熱應(yīng)力增大,因而使殘余應(yīng)力增大.3)由圖4(c)可知,隨著砂輪速度vs的增加,單位時(shí)間內(nèi)參加切削的總磨粒數(shù)增多,會(huì)使單顆磨粒未變形磨削厚度ag減小,使已加工表面輪廓算數(shù)平均偏差Ra減小.但是由于單位時(shí)間內(nèi)的工作磨粒數(shù)增多,磨削厚度變薄,即磨屑分割得較細(xì),磨屑變形能增大,工件表面溫度升高,在此交互作用下,表層冷作硬化變化小,表面顯微硬度幾乎不變,還由于此時(shí)磨削力造成的擠光效應(yīng),從而使磨削表面拉應(yīng)力減小.3.3耕、形態(tài)分析圖5示出磨削表面三維形貌和磨削紋理照片,由于表面粗糙度對(duì)工件速度的變化最敏感,對(duì)磨削深度變化敏感次之,對(duì)砂輪速度的變化最不敏感,所以在研究表面形貌時(shí)固定磨削深度、改變工件速度,從而研究表面形貌隨工件速度變化的規(guī)律.由圖5(a)可知,在圖示磨削條件下,其表面粗糙度為273.79nm,最大波峰高度為1.43μm,最大波谷深度為1.86μm,磨削紋路較清晰,在掃描電鏡200倍和800倍條件下觀(guān)察,可以發(fā)現(xiàn)耕犁和輕微的皺疊現(xiàn)象;由圖5(b)可知,其表面粗糙度為454.07nm,最大波峰高度為2.28μm,最大波谷深度為2.52μm,磨削紋路清晰,在掃描電鏡200倍和800倍條件下觀(guān)察,可以發(fā)現(xiàn)耕犁和皺疊現(xiàn)象,出現(xiàn)少量的黏附物;由圖5(c)可知,其表面粗糙度為594.01nm,最大波峰高度為1.97μm,最大波谷深度為3.94μm,磨削紋路清晰,在掃描電鏡200倍和800倍條件下觀(guān)察,可以發(fā)現(xiàn)耕犁和皺疊現(xiàn)象,出現(xiàn)較多的黏附物.由此可知,隨著工件速度的增加,因單顆磨粒的未變形切削厚度ag增大,使已加工表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra增大,同時(shí)由于磨削力增大,發(fā)熱量加大,從而使塑性變形增大,工件表面耕犁和皺疊現(xiàn)象加強(qiáng),磨削表面紋路有明顯變化,黏附物增多.3.4顯微硬度變化對(duì)表面層的影響如圖6所示,為磨削表面顯微硬度梯度分布.由于表面顯微硬度對(duì)砂輪速度變化最敏感,對(duì)磨削深度變化敏感次之,對(duì)工件速度的變化最不敏感,所以在研究顯微硬度梯度時(shí)固定磨削深度,取不同砂輪速度,從而研究顯微硬度隨砂輪速度變化的規(guī)律.由圖6可知,磨削時(shí)磨粒的滑擦、耕犁和切削作用會(huì)使被磨表層發(fā)生塑性變形,塑性變形產(chǎn)生的硬化與磨削溫度產(chǎn)生的軟化相互綜合,高溫合金的硬度不高,磨削時(shí)塑性變形區(qū)的晶格嚴(yán)重扭曲,由于高溫合金材料熱導(dǎo)率低,使得磨削熱集中在被磨工件表層的磨削接觸區(qū)內(nèi),從而使磨削溫度顯著升高,合金材料中的γ晶粒內(nèi)的γ′相聚集長(zhǎng)大,γ″相長(zhǎng)大成盤(pán)狀.γ″相是一種亞穩(wěn)定相,當(dāng)溫度升高時(shí),它會(huì)向δ相轉(zhuǎn)化,因此,此時(shí)晶內(nèi)有片狀δ相析出.δ相不起強(qiáng)化作用,機(jī)體粗大的γ′相和γ″相也不能起到強(qiáng)化作用,從而會(huì)導(dǎo)致被磨表面層軟化,但隨著距磨削表面距離的增加,磨削溫度的影響變小,而磨削力的影響占主導(dǎo),從而會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象.隨著砂輪速度vs的增加,顯微硬度的變化層厚度增大,由于單位時(shí)間內(nèi)的工作磨粒數(shù)增多,磨削厚度變薄,即磨屑分割得較細(xì),磨屑變形能增大,工件表面溫度升高,在此交互作用下,顯微硬度變化并不十分明顯,顯微硬度變化影響層深度為80~100μm左右.3.5基于殘余應(yīng)力的磨削表面應(yīng)力場(chǎng)分析磨削高溫合金時(shí),將產(chǎn)生大量的磨削熱,從而使磨削表層產(chǎn)生壓縮性變形,在冷卻過(guò)程中,表層會(huì)形成殘余拉應(yīng)力;同時(shí)由于磨削時(shí)產(chǎn)生很大的法向磨削力,其產(chǎn)生的擠光效對(duì)表層殘余應(yīng)力有明顯的影響.圖7示出磨削表面殘余應(yīng)力場(chǎng)分布圖,其是在熱塑性變形和擠光效應(yīng)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力交互作用的結(jié)果.在研究殘余應(yīng)力時(shí),固定砂輪速度,取不同的磨削深度,從而研究磨削深度隨工件速度變化的規(guī)律.隨著磨削深度ap的增加,比磨能增大,磨削溫度增高,熱應(yīng)力增大,殘余應(yīng)力影響層厚度增加,在磨削深度為50μm時(shí),其殘余應(yīng)力影響深度在80μm左右;在磨削深度為100μm時(shí),其殘余應(yīng)力影響深度在150μm左右;在磨削深度為150μm時(shí),其殘余應(yīng)力影響深度在200μm左右.3.6磨削表層微觀(guān)組織的變化圖8示出顯微鏡下面觀(guān)察得到的磨削表面顯微組織,磨削高溫合金時(shí),由于被磨表面承受的壓力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)所產(chǎn)生的顯微組織變化,其晶格產(chǎn)生滑移、畸變和歪曲,從而使晶粒破碎、拉長(zhǎng).本文由于采用切入磨的方式,被加工試樣較小,磨削時(shí)砂輪與工件作用面也較小,所以其磨削力和磨削溫度的作用時(shí)間較短,磨削表層微觀(guān)組織變化并不大,晶格產(chǎn)生滑移、畸變和歪曲也不明顯,其塑性變形層在5~10μm左右.只是隨著磨削深度ap的增加,磨削力加大,砂輪與工件的磨削接觸弧長(zhǎng)加長(zhǎng),同時(shí)參加的工件磨粒數(shù)增多,磨削過(guò)程中的磨屑變形力及摩擦力均增大的關(guān)系,工件表