GH4169材料磨削后數(shù)控拋光表面殘余應(yīng)力分析

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

GH4169高溫合金在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，抗疲勞、抗腐蝕、抗氧化性能高[1]，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片[2]。表面殘余應(yīng)力是表面完整性中一項(xiàng)重要指標(biāo)，表面完整性被認(rèn)為與零件的使用性能，尤其是與疲勞壽命密切相關(guān)[3]。磨削可實(shí)現(xiàn)微量去除，加工精度高，能夠獲得較好的表面粗糙度。磨削之后拋光工藝是有效提高表面完整性的方式[4]。

目前針對(duì)高溫合金的拋光主要由手工完成，拋光過程是一種復(fù)雜的作業(yè)過程[5-6]。手工拋光一致性差，效率低，且工作環(huán)境惡劣[7]。數(shù)控拋光工藝可以有效地規(guī)避此類缺點(diǎn)[8]。數(shù)控拋光工具羊毛氈輪采用天然羊毛纖維壓制而成，纖細(xì)柔軟的羊毛纖維極少損傷加工表面，因此能夠得到較好的表面質(zhì)量。

某發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用磨削和拋光的工藝進(jìn)行加工，拋光的主要作用本是去掉上道工序留下的加工紋路。但在實(shí)際的羊毛氈輪拋光中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)葉片材料GH4169，不同的拋光層數(shù)對(duì)表面完整性指標(biāo)之一的表面殘余應(yīng)力影響較大。因此，確定合適的羊毛氈輪拋光層數(shù)意義重大。

本文涉及羊毛氈輪數(shù)控拋光中以殘余應(yīng)力為目標(biāo)拋光層數(shù)為參數(shù)的優(yōu)化問題，且根據(jù)對(duì)試件的顯微觀察、應(yīng)力測(cè)試、力學(xué)分析，提出拋光工藝的“加強(qiáng)筋”模型以及拋光兩個(gè)階段的劃分，為拋光對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響機(jī)理提供一種解釋，有利于羊毛氈輪數(shù)控拋光工藝的研究。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的變形高溫合金GH4169，熱處理制度為標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度：965℃，1h，空冷 +720℃，8h，以 50℃ /h爐冷至620℃，8h，空冷。其基本力學(xué)性能見表1。試塊大小為60mm×40mm×60mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

磨削試驗(yàn)采用五軸立式磨床；采用CBN200#Φ16mm砂輪，軸向圓弧半徑為1.5mm；磨削液采用Blaser高速磨削油。

磨削工序?yàn)榇帜?半精磨+半精磨+精磨，4道工序走刀路徑皆為單向順磨，進(jìn)給速度皆vf=400mm/min，vc=30.16m/s，二者方向相同，切深切寬各個(gè)不同。此磨削工藝采用以表面完整性為目標(biāo)優(yōu)化后的參數(shù)。磨削完之后，試件表面顯微照片如圖1所示。

拋光試驗(yàn)采用三軸立式高速磨床；采用Φ25mm羊毛氈輪，如圖2所示；冷卻方式為氣冷；采用w1的金剛石研磨膏；拋光工藝參數(shù)，經(jīng)過表面粗糙度優(yōu)選：進(jìn)給速度vf=300mm/min，轉(zhuǎn)速n=20000r/min。拋光路徑示意如圖3。

1.3 工藝試驗(yàn)

精磨行寬很小，為0.15mm。在給定進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)采用2mm的預(yù)壓量進(jìn)行不同重復(fù)次數(shù)（即層數(shù)）的拋光，重復(fù)2次即2層，以此類推。

2 結(jié)果處理及模型分析

2.1 數(shù)據(jù)及模型分析

拋光后表面顯微照片如圖4所示，可以看到隨著拋光層數(shù)的增加，磨削紋路逐漸被拋掉。

利用Taylor Hobson 輪廓儀測(cè)得不同層數(shù)的拋光深度如表2所示。

試驗(yàn)采用加拿大Proto公司的iXRD型X射線衍射應(yīng)力儀，常溫測(cè)試拋光前后的表面殘余應(yīng)力，利用Mn靶材-Kα射線,光斑大小為2mm進(jìn)行測(cè)試。試件測(cè)點(diǎn)位置如圖所示，測(cè)點(diǎn)分布在加工矩形區(qū)域的幾何中心，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別檢測(cè)進(jìn)給方向（X方向）和垂直進(jìn)給方向（Y方向）的殘余應(yīng)力。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)方向上的切應(yīng)力絕對(duì)值均在20MPa以內(nèi)，平均值在10MPa左右，故可以認(rèn)為兩個(gè)正應(yīng)力方向，即X方向和Y方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向。

表面殘余應(yīng)力隨拋光層數(shù)變化曲線如圖5所示。其中，拋光前X方向表面殘余應(yīng)力為-852.5MPa，拋光前Y方向表面殘余應(yīng)力為-951.7MPa。從圖5中數(shù)據(jù)可以看出，羊毛氈輪拋光對(duì)高溫合金GH4169砂輪磨削表面殘余應(yīng)力的影響有以下特點(diǎn)：

（1）在給定的參數(shù)磨削后兩個(gè)主方向的表面殘余應(yīng)力皆為壓應(yīng)力，經(jīng)羊毛氈輪拋光后依然為殘余壓應(yīng)力。

表1 GH4169室溫基本力學(xué)性能

圖1 精磨表面顯微照片F(xiàn)ig.1 Micrograph of finish-grinding surface

圖2 羊毛氈拋光輪Fig.2 Wool felt wheel

圖3 拋光路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of polishing path

圖4 不同層數(shù)拋光顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrographs of different polishing surfaces

表2 不同層數(shù)的拋光深度

（2）在給定的拋光參數(shù)下，X方向的殘余壓應(yīng)力隨著拋光層數(shù)的增加先增加后減小，增加幅度為75MPa，并在拋光3層后達(dá)到極大值；Y方向殘余應(yīng)力在拋光3層以內(nèi)變化不大，之后會(huì)顯著降低。

（3）在拋光過程中，兩個(gè)方向的表面殘余壓應(yīng)力的最大值都超過了拋光前的殘余應(yīng)力值。

為對(duì)以上特點(diǎn)進(jìn)行說明，將羊毛氈輪拋光試件表面分為初始狀態(tài)、去磨削紋路階段和去基體材料階段。

首先，初始狀態(tài)。金剛石砂輪磨削通過許多不規(guī)則的砂粒與試件接觸，在試件表面留下的痕跡呈現(xiàn)波峰波谷狀，如圖6所示。兩條波峰間距0.15mm。波峰形成的凸起紋宛若鑲嵌在平面基體上的加強(qiáng)筋條。凸起的紋路（殘留高度）沿X方向，可以承載；而Y方向，紋路不能承載。

X射線衍射法測(cè)得的表面殘余應(yīng)力可以認(rèn)為是兩部分殘余應(yīng)力疊加的均值，一部分是平面基體中的內(nèi)應(yīng)力，另一部分是“加強(qiáng)筋”紋路中內(nèi)應(yīng)力帶來的材料表面殘余應(yīng)力的改變，如圖7中（a）[9]、（b）兩圖內(nèi)應(yīng)力的疊加。平面基體中表面內(nèi)應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力。X方向的“加強(qiáng)筋”受壓，導(dǎo)致基體表面X方向受拉，X方向上原有的較大的殘余壓應(yīng)力疊加上“加強(qiáng)筋”承壓帶來的較小拉應(yīng)力，從而材料的X方向表面殘余應(yīng)力小于Y方向的表面殘余應(yīng)力，如圖7（c）所示。

其次，拋光去磨削紋路階段。在此階段，隨著承壓的“筋條”被去除，材料表現(xiàn)的X方向的表面殘余應(yīng)力反而會(huì)上升。當(dāng)紋路恰好被去掉后，X方向殘余應(yīng)力的上升趨勢(shì)明顯減緩。因?yàn)槌袎旱摹敖顥l”是沿著X方向，而它們的去除對(duì)Y方向的表面殘余應(yīng)力影響不大，如圖8所示。

最后是去基體材料階段。此階段，隨著材料的緩慢去除，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力會(huì)重新分布，表面殘余壓應(yīng)力會(huì)減小，如圖9所示。

同時(shí)，拋光本身由于力熱原因造成材料的塑性變形而帶來新的殘余應(yīng)力。拋光本身帶來的殘余應(yīng)力在整個(gè)拋光階段始終存在，但是在去磨削紋路階段拋光是去掉紋路，拋光本身引入殘余應(yīng)力對(duì)材料基體影響很小，可以忽略。在去基體材料階段，拋光引入的新的殘余應(yīng)力會(huì)與原有殘余應(yīng)力耦合，這使得殘余應(yīng)力減小的速率呈下降趨勢(shì)。

圖5 拋光層數(shù)對(duì)磨削表面殘余應(yīng)力的影響Fig.5 Effect of polishing layer on residual stress of grinding surface

2.2 驗(yàn)證性試驗(yàn)分析

圖6 磨削表面“加強(qiáng)筋”模型Fig.6 Schema of “Reinforcing Bar” model

圖7 磨削表面“加強(qiáng)筋”模型殘余應(yīng)力Fig.7 Residual stress of the model

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著拋光層數(shù)增加，X方向的殘余應(yīng)力會(huì)增加，而Y方向基本不變。為了驗(yàn)證此規(guī)律的可靠性，將拋光參數(shù)作了改變，轉(zhuǎn)速改為n=20000r/min，預(yù)壓量改為0.5mm，其余參數(shù)不變。試驗(yàn)后進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量，結(jié)果如圖10所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了3層以內(nèi)兩個(gè)方向殘余應(yīng)力不同的變化規(guī)律。故在用羊毛氈輪進(jìn)行磨削后拋光時(shí)，為了能到達(dá)較大的殘余壓應(yīng)力值以利于疲勞壽命的增加[10]，可以將拋光層數(shù)適當(dāng)增加。

3 結(jié)論

（1）羊毛氈輪數(shù)控拋光磨削后GH4169，進(jìn)給方向表面殘余正應(yīng)力隨深度增加先升高后下降，而垂直進(jìn)給方向表面殘余正應(yīng)力先基本不變后下降。

（2）提出了“加強(qiáng)筋”模型，即沿著進(jìn)給方向可以承載，定性解釋了拋光對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響機(jī)理，并改變參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

但是，“加強(qiáng)筋”模型只是定性的解釋，其需要進(jìn)一步的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 去磨削紋路階段殘余應(yīng)力Fig.8 Residual stress during removing grinding-texture

圖9 基體材料去除殘余應(yīng)力Fig.9 Residual stress during removing material

圖10 改變拋光參數(shù)后殘余應(yīng)力分析Fig.10 Residual stress analysis after changing polishing parameters

參 考 文 獻(xiàn)

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