基于CBN砂輪的超音速火焰噴涂涂層磨削性能研究

中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所 徐 瑞 楊強(qiáng)強(qiáng) 王文漢 王 偉 宋永偉

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 楊偉華

超音速火焰噴涂技術(shù)（也稱高速火焰噴涂，HVOF或HVAF）是近年來(lái)出現(xiàn)的一種表面強(qiáng)化技術(shù)，主要用于在零件表面制造耐磨涂層以提高零部件的使用壽命。該技術(shù)的出現(xiàn)很好地替代鍍鉻強(qiáng)化，避免對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)零件綠色制造。隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，超音速火焰噴涂技術(shù)受到研究機(jī)構(gòu)的持續(xù)關(guān)注[1-2]。

WC10Co4Cr是一種常用的涂層材料，其涂層表面粗糙度小，涂層致密（孔隙率小于1%），結(jié)合強(qiáng)度高（60～70MPa），由于涂層的優(yōu)越性能使得其光整加工階段一般采用金剛石砂輪磨削。但因金剛石砂輪成本高、不易修磨和找正，使得涂層零件精加工非常困難。鑒于此問題，本文采用CBN砂輪實(shí)現(xiàn)超音速火焰噴涂涂層低成本、高效率精密光整加工，通過理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，詳細(xì)論述了磨削過程中輪轉(zhuǎn)速（s）、進(jìn)給量（ap）、走刀速度（v）對(duì)磨削后表面粗糙的獨(dú)立影響以及交互影響規(guī)律，擬合砂輪轉(zhuǎn)速（s）、進(jìn)給量（ap）、走刀速度（v）與涂層磨削后表面質(zhì)量數(shù)學(xué)模型，得出了適合WC10Co4Cr涂層的最佳磨削工藝參數(shù)[3-4]。

1 WC-Co超音速火焰噴涂樣件制備

15-5PH不銹鋼以其高強(qiáng)度、高彈性模量、剛性模量等優(yōu)異性能在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，多用于精密偶件零件的制造，本試驗(yàn)采用15-5PH不銹鋼，在其表面通過超音速火焰噴涂技術(shù)噴涂WC-Co涂層，研究該類不銹鋼材料噴涂后精密光整加工性能。

1.1 WC10Co4Cr粉末

選用Sulzer Metco（瑞士）公司的WoKa3652（86%WC+10%Co+4%Cr，15～45μm，團(tuán)聚燒結(jié)粉末），粉末形貌如圖1所示。

圖1 WC10Co4Cr粉末形貌Fig.1 Powder morphology of WC10Co4Cr

從圖中可以看出WC粉末顆粒粒度均勻，團(tuán)聚燒結(jié)球化效果好，從而保證了良好的工藝性。

1.2 超音速火焰噴涂原理

本試驗(yàn)采用設(shè)備為Sulzer Metco公司的EvoCoat燃油型超音速火焰噴涂系統(tǒng)。其工藝原理如圖2所示。

圖2 超音速火焰噴涂工作原理Fig.2 Working principle of HVOF

超音速火焰噴涂技術(shù)是為了降低材料的氧化與燒損，提高噴涂粒子速度而出現(xiàn)的一種熱噴涂技術(shù)。通常采用可燃?xì)怏w或霧化煤油與氧氣在燃燒室內(nèi)燃燒，通過拉瓦爾管壓縮、擴(kuò)張加速，形成溫度2600℃以上、速度高達(dá)2000m/s以上的高速焰流；粉末粒子被送入焰流中，加熱、加速到500～800m/s以上，撞擊基體形成涂層。噴涂后的涂層表面粗糙度小，涂層致密（孔隙率>1%）、結(jié)合強(qiáng)度高（60～70MPa），適合噴涂金屬、金屬陶瓷和合金等，尤其是噴涂碳化物具有明顯優(yōu)勢(shì)。

通過該技術(shù)以某型號(hào)活塞零件為試驗(yàn)對(duì)象，制備樣件如圖3所示。

圖3 噴涂后樣件表面Fig.3 The sample surface After spraying

2 磨削試驗(yàn)平臺(tái)搭建及方案設(shè)計(jì)

WC-Co火焰噴涂涂層致密在其精加工階段多采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，但金剛石砂輪自身成本以昂貴、修磨工藝復(fù)雜、修磨時(shí)間長(zhǎng)，這些不足給火焰噴涂涂層的光整加工帶來(lái)很大難度。為此，本文提出WC-Co涂層的CBN砂輪磨削工藝，實(shí)現(xiàn)涂層的高效、低成本加工。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與砂輪的選擇

本文選用斯圖特S21萬(wàn)能外圓磨床進(jìn)行磨削試驗(yàn)研究，該機(jī)床床身由人造大理石鑄造而成，具有良好的吸振性及熱穩(wěn)定性，磨削過程中線速度最高可達(dá)50m/s，采用恒定線速度磨削，乳化液冷卻。

試驗(yàn)選用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，粒度號(hào)為200，砂輪直徑400mm，寬度30mm。采用金剛石滾輪修整器對(duì)砂輪進(jìn)行修整，修整時(shí)，砂輪線速度為4.5m/s，滾輪線速度為0.5m/s，工作臺(tái)軸向速度為70mm/min。整形初期，滾輪每徑向進(jìn)給2μm，工作臺(tái)左右循環(huán)運(yùn)動(dòng)10次，運(yùn)行20周期左右；整形后期，滾輪每徑向進(jìn)給1μm，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)3次，運(yùn)行10周期左右，直至砂輪外圓跳動(dòng)不大于10μm；最后用200＃氧化鋁砂條對(duì)砂輪進(jìn)行修銳。在每組磨削試驗(yàn)前，采用用砂條對(duì)砂輪進(jìn)行修銳，以保證磨削砂輪狀態(tài)一致。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與表面質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

圖4中黃色表面為被磨削表面。利用Minitab軟件對(duì)磨削過程中砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、走刀速度三要素設(shè)計(jì)全因子DOE試驗(yàn)方案，如表1所示，按照試驗(yàn)順序依次進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 磨削部位示意圖Fig.4 Sketch of grinding position

表1 全因子正交試驗(yàn)方案

磨削后零件表面質(zhì)量是評(píng)價(jià)光整加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)采用德國(guó)泰勒粗糙度儀，在工件外圓面測(cè)量垂直于磨削方向的表面粗糙度Ra，取樣長(zhǎng)度為10mm，對(duì)外圓表面粗糙度測(cè)量3次，取其平均值以評(píng)價(jià)磨削后表面質(zhì)量的優(yōu)劣。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

磨削后零件如圖5所示，5（a）為CBN砂輪磨削后的宏觀照片，可以看出磨削后的表面質(zhì)量明顯提升，圖5（b）為磨削部位局部放大200倍后的顯微照片。

圖5 CBN砂輪磨削后的零件Fig.5 Part of CBN grinding wheel

借助Minitab分析軟件，以磨削后表面粗糙度的平均值作為光整加工表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析磨削過程中各工藝因素對(duì)磨削質(zhì)量的影響規(guī)律，擬合砂輪轉(zhuǎn)速（s）、進(jìn)給量（ap）、走刀速度（v）3 個(gè)主效應(yīng)、3 個(gè)雙因子交互作用以及1個(gè)三因子交互作用的數(shù)學(xué)模型，精確分析工藝參數(shù)對(duì)磨削質(zhì)量的影響。

3.1 工藝參數(shù)對(duì)磨削質(zhì)量的影響規(guī)律

3.1.1 磨削質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素

從圖6反映加工參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量影響的顯著性效應(yīng)可以看出走刀速度、砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度的交互影響對(duì)磨削后表面質(zhì)量的影響顯著。在WC-Co涂層的磨削過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速處于1678～1919r/min區(qū)間時(shí)，走刀速度對(duì)最終表面質(zhì)量影響最大，這是由于走刀速度降低可使單位時(shí)間磨削區(qū)域內(nèi)的磨粒數(shù)增加，單顆磨粒的切削量減小，從而使零件表面粗糙度明顯改善；砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度之間的交互影響次之，在磨削過程中砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度存在一定的匹配關(guān)系，只有這2個(gè)工藝參數(shù)相適應(yīng)才能使零件的表面質(zhì)量達(dá)到最高。

3.1.2 關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)磨削質(zhì)量的獨(dú)立影響

通過各工藝參數(shù)顯著性效應(yīng)分析，可以確定砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度2個(gè)工藝參數(shù)對(duì)磨削后表面質(zhì)量的影響最大。圖7為表面質(zhì)量的主效應(yīng)圖，分析顯著因素對(duì)磨削表面質(zhì)量的獨(dú)立影響規(guī)律，從圖中可看出，走刀速度對(duì)表面粗糙影響更為顯著。當(dāng)走刀速度由400mm/min變化為200mm/min，零件表面粗糙度可以提升21%，而砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的獨(dú)立影響較小。

3.1.3 關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)磨削質(zhì)量的交互影響

圖6 磨削質(zhì)量影響因素效應(yīng)的博拉圖Fig.6 Pareto diagram of the factors affecting the quality of grinding

圖7 磨削質(zhì)量主效應(yīng)圖Fig.7 Master effect diagram of grinding quality

圖8 磨削質(zhì)量影響因素交互作用圖Fig.8 Interaction diagram of grinding quality influence factors

圖8為關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的交互影響情況。從圖8可看出在所選的參數(shù)范圍內(nèi)砂輪的轉(zhuǎn)速與走刀速度之間存在交互影響，走刀速度為200mm/min時(shí)，零件表面質(zhì)量隨著砂輪轉(zhuǎn)速地提高而增加；當(dāng)走刀速度為400mm/min時(shí)零件表面質(zhì)量隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高而降低，這是因?yàn)樽叩端俣扰c砂輪轉(zhuǎn)速之間存在匹配關(guān)系，如果砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度之間不匹配，就會(huì)造成零件表面質(zhì)量降低。

3.2 磨削后涂層表面質(zhì)量模型

通過擬合各影響因素與表面粗糙度的關(guān)系，得出表面粗糙度與顯著影響因素之間的數(shù)學(xué)模型為Y=-0.211964+0.000137344*s+0.000909151*v-4.55394E-07*s*v，其中s為砂輪轉(zhuǎn)速，v為走刀速度。

圖9是表面粗糙度與走刀速度、砂輪轉(zhuǎn)速曲面圖，當(dāng)走刀速度為200mm/min、砂輪轉(zhuǎn)速為1700r/min時(shí)，涂層磨削后的表面質(zhì)量最高。

圖9 表面粗糙度與影響因素曲面圖Fig.9 Surfaces diagram of Surface roughness and influence factors

4 結(jié)論

（1）在WC-Co鍍層磨削過程中，走刀速度、砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度的交互影響對(duì)磨削后表面質(zhì)量的影響最為顯著；

（2）在顯著影響因素中，當(dāng)轉(zhuǎn)速處于1678～1919r/min區(qū)間時(shí)，走刀速度對(duì)表面粗糙影響較砂輪轉(zhuǎn)速更為明顯，當(dāng)走刀速度由400mm/min變?yōu)?00mm/min，零件表面粗糙度可提升21%，而砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的獨(dú)立影響較小。

（3）走刀速度與砂輪轉(zhuǎn)速之間存在匹配關(guān)系，如果砂輪轉(zhuǎn)速與走刀速度之間不匹配，就會(huì)造成零件表面質(zhì)量的降低。

（4）通過擬合各影響因素與表面粗糙度的關(guān)系，得出表面粗糙度與顯著影響因素之間的數(shù)學(xué)模型Y=-0.211964+0.000137344*s+0.000909151*v-4.55394E-07*s*v?？梢钥闯?，當(dāng)走刀速度為200mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為1700r/min時(shí)，涂層磨削后的表面質(zhì)量最高。

[1] Wielage B，Wank A，Pokhmurska H，et al. Development and trends in HVOF spraying technology.Surface&Coating Technology，2006(201)： 2032-2037.

[2] Murthy J K N，Rao D S，Venkataraman B. Effcet of grinding on the erosion behavior of a WC-Co-Cr coating deposited by HVOF and detonation gun spray processes. Wear，2001(249)： 592-600.

[3] 易軍,盛曉敏,郭力.超音速火焰噴涂WC 涂層超高速磨削試驗(yàn)研究.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(6):49-52.

[4] 高峰，劉富榮，任先京.超音速火焰噴涂CrC-25%NiCr涂層的滑動(dòng)摩擦磨損性能研究.有色金屬，2008(12):98-101.