王志辉，徐升智，白国庆
(1.太原学院，山西 太原 030032；
2.东北大学，辽宁 沈阳 110819)
镍基合金[1-3]在高温下有着非常优异的力学性能,所以在燃气涡轮发动机中有非常重要的应用。镍基合金作为一种难加工金属,在磨削过程中会产生强烈的塑性变形,极易粘附在砂轮表面,从而堵塞砂轮气孔,影响散热条件,同时粘附金属与被加工表面的摩擦因数急剧增大,使得磨削力和磨削温度都会急剧增大,进而导致已加工表面质量恶化,砂轮磨损严重。陶瓷结合剂CBN砂轮[4]可以确保磨粒有锋利的棱角裸露在外,加工效率极高;在制造过程中可以进行硬度和气孔大小上的调整,磨削时有利于排屑和散热,不易堵塞砂轮气孔,不易烧伤工件。但是陶瓷结合剂砂轮[5]存在脆性大的问题,抗折强度低,使其在高速磨削中的应用受到限制。
Shan D等[6]添加质量分数为4%的TiO2增强陶瓷结合剂的力学性能,其流动性也都加强了很多。东北大学张景强等[7]在研究陶瓷结合剂过程中加入纳米Al2O3、纳米SiO2和纳米ZrO2等添加剂,成功地提高了结合剂的机械强度,改善了流动性和高温浸润性。燕山大学张向红等[8,9]对纳米陶瓷结合剂进行了研究,结果表明纳米添加物的添加能够提高结合剂的强度和耐磨性,使流动性和气孔等方面有了一定的改善。目前国内外关于陶瓷结合剂CBN砂轮以及镍基合金的可磨削性[10-14]研究是比较多的,但是关于利用纳米技术来制备性能更好的陶瓷结合剂CBN砂轮并对镍基合金进行磨削的研究不多。
在研究纳米材料对陶瓷结合剂砂轮性能影响的基础上[15-17],本文对镍基合金进行磨削实验,结合磨削过程中力分量、温度和磨削后的表面质量的测量,评估纳米陶瓷结合剂CBN砂轮对镍基合金的可磨削性。
同时制备普通陶瓷结合剂砂轮和纳米陶瓷结合剂砂轮用于磨削实验。磨床型号为2M9120,采用Kistler三向测力仪测量磨削力,磨削加工实验如图1所示,工件材料为高温镍基合金GH4169,采用逆磨的方式,不加冷却液。砂轮参数如表1所示。
表1 砂轮参数
图1 磨削加工实验示意图
磨削一般作为机械加工的最后一道工艺,表面质量要求成为评价磨削工艺优劣的重要指标。通过三水平三因素正交实验,探究磨削工艺参数对表面质量的影响,实验参数如表2所示。
表2 磨削正交实验表
高温镍基合金在磨削过程中由于粘附现象严重,很容易引起工件烧伤问题。通过单因素实验研究磨削工艺参数对磨削力和磨削温度的影响,实验参数如表3所示。磨削测温原理示意图如图2所示。图2中,测温装置原理为热电偶测温,使用云母片将两个热电偶隔开,达到绝缘目的;沟槽用于放置云母片,保证除放置云母片位置外的工件表面可以紧密贴合在一起。
表3 单因素磨削实验表
图2 磨削测温原理示意图
2.1 磨削后表面质量分析
采用三维共聚焦激光显微镜对磨削后的表面质量进行观测,表面粗糙度如表4所示。
表4 磨削后表面粗糙度Ra μm
由表4所示可知,纳米陶瓷结合剂砂轮磨削后的表面粗糙度大多小于普通陶瓷结合剂砂轮磨削后的表面粗糙度。
对表2所示的磨削正交实验进行极差分析,极差大小代表了该实验参数对实验结果的影响程度,分析结果如表5所示。由粗糙度均值可确定其最佳参数组合,对于纳米陶瓷结合剂砂轮而言,采用20 m/s的磨削速度、1.2 m/min的进给速度、40 μm的磨削深度能够达到最优状态。
表5 正交实验极差分析
对比表5中两者磨削实验的极差可知,纳米陶瓷结合剂砂轮磨削高温镍基合金各因素的极差值均小于普通陶瓷结合剂砂轮磨削的值,说明前者对高温镍基合金的可磨削性更好,使得各因素对表面粗糙度影响减小,这就意味着使用纳米陶瓷结合剂砂轮可以采用较大的进给速度和较深的磨削深度,在对表面质量影响不大的条件下极大地提高了磨削效率。
2.2 磨削力与磨削温度分析
根据表3实验序号1、2、3工艺参数进行磨削实验,结果如图3所示,法向磨削力Fz和切向磨削力Fx会随着磨削深度的增大而增大。首先,磨削深度增大导致单个磨粒的未变形磨削厚度也随之增大;其次,磨削深度增大必然会使砂轮与工件之间的接触弧长变长,即同时参与磨削的磨粒总数增多;第三,接触弧变大,磨屑的排出路径变长,磨屑在砂轮工件接触区域的高温环境中受到砂轮和工件的强烈摩擦和挤压变形,极容易与砂轮发生粘结。以上三点都会造成磨削力的增加。
图3 磨削深度-磨削力关系曲线
根据表3实验序号4、5、6工艺参数进行磨削试验,结果如图4所示,随着磨削速度的提升,磨削力呈减小的趋势,这是因为去除相同的材料高转速相当于增加了磨削次数,也就是每次磨削的磨削量减少了,这样一来磨削力就会随之减小。
图4 磨削速度-磨削力关系曲线
磨削温度在实验过程中变化不大,选择表3中实验2的实验参数对两种砂轮的磨削进行比较,结果如图5所示。在相同的工艺条件下对高温镍基合金进行磨削实验,通过热电偶测量磨削区温度,可以发现使用纳米陶瓷结合剂CBN砂轮的磨削区温度低于使用普通陶瓷结合剂砂轮15 ℃～20 ℃左右。
图5 磨削区域温度变化曲线
由图4和图5可知,使用纳米陶瓷结合剂砂轮磨削高温镍基合金可以获得更小的磨削力,这可能是因为纳米陶瓷结合剂砂轮烧结温度小于普通陶瓷结合剂砂轮,其CBN磨粒受到的热损伤更小,此外,掺入的纳米材料粒子细化了晶粒,使结合剂中物质均匀弥散,磨粒钝化后也会在结合剂中均匀脱落,所以可以保持磨粒坚硬锋利,从而减轻磨削过程的粘附现象,降低磨削力和磨削区温度。
本文通过对高温镍基合金进行磨削实验,研究了纳米陶瓷结合剂砂轮对高温镍基合金的可磨削性。研究结果表明,纳米陶瓷结合剂砂轮比普通陶瓷结合剂砂轮磨削高温镍基合金具有更大的优越性。
(1) 使用纳米陶瓷结合剂砂轮磨削高温合金时可以有效降低磨削力和磨削温度,从而减小砂轮磨损,提高砂轮使用寿命,同时避免造成工件烧伤。
(2) 纳米陶瓷结合剂砂轮相比于普通陶瓷结合剂砂轮可以明显改善工件磨削后表面质量,降低表面粗糙度。
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