釬焊CBN砂輪與陶瓷CBN砂輪磨削粉末冶金高溫合金的加工性能對比研究

張 曦， 李本凱， 丁文鋒

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

粉末冶金高溫合金以其優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變以及高溫機(jī)械性能成為制造航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的重要材料[1]。然而，粉末冶金高溫合金FGH96所具有的優(yōu)異的高溫性能、高加工硬化性以及低熱導(dǎo)率，也是其成為典型的高強(qiáng)韌難加工材料的重要原因[2-6]，用常規(guī)刀具切削加工難以實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)高效加工。磨削是加工粉末冶金高溫合金FGH96的重要手段之一，然而較高的磨削力和磨削溫度產(chǎn)生的熱損傷、較差的表面完整性以及嚴(yán)重的砂輪磨損是磨削加工FGH96材料時遇到的典型難題[7-10]。因此，進(jìn)一步開展粉末冶金高溫合金磨削新技術(shù)研究頗為重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對不同鎳基高溫合金的磨削加工性已經(jīng)開展了較多研究。?STERLE等[11]使用剛玉砂輪研究緩進(jìn)給磨削IN738LC時的加工性，發(fā)現(xiàn)在工件磨削表層易形成白層。MIAO等[12]對比研究了棕剛玉和微晶剛玉砂輪的磨損行為，及其對不同鎳基高溫合金緩進(jìn)給磨削表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：微晶剛玉砂輪的磨削加工性優(yōu)于棕剛玉砂輪的，DD6、GH4169和DZ408的磨削加工性依次變差。

相比于傳統(tǒng)剛玉砂輪，CBN砂輪具備更加優(yōu)異的磨削性能，如釬焊CBN砂輪磨粒與基體結(jié)合強(qiáng)度高，且可實(shí)現(xiàn)磨粒規(guī)則排布；陶瓷CBN砂輪具有一定自銳能力，加工效率高[13]。因而，CBN砂輪在難加工材料高效精密加工中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，越來越多的學(xué)者進(jìn)行了CBN超硬磨料砂輪磨削加工技術(shù)研究[14-16]。ADIBI等[17]使用陶瓷CBN砂輪磨削鎳基高溫合金，研究砂輪堵塞對磨削加工性的影響。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：磨削深度和砂輪線速度比進(jìn)給速度更易使砂輪堵塞，而砂輪堵塞會使砂輪工作面惡化，磨削加工能力變差。DING等[18]對K424開展了釬焊CBN砂輪磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明：釬焊CBN砂輪緩進(jìn)給磨削K424時的磨削溫度較低，磨削表面完整性良好，沒有明顯表面缺陷。

鑒于FGH96材料的難加工特性以及CBN砂輪磨削此類材料的優(yōu)勢，針對粉末冶金高溫合金FGH96的難加工問題，采用釬焊CBN砂輪與陶瓷CBN砂輪進(jìn)行磨削對比試驗(yàn)，探討不同磨削參數(shù)下，磨削力與溫度、表面粗糙度的變化規(guī)律，以及2種砂輪的磨損行為與FGH96的表面形貌，對比分析2種砂輪磨削FGH96的加工性能。

1 試驗(yàn)

工件材料為粉末冶金高溫合金FGH96，尺寸為25 mm×30 mm×5 mm，其化學(xué)成分與物理力學(xué)性能見表1和表2。FGH96材料在室溫下的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度分別為1 502 MPa和1 200 MPa，即使在750 ℃，抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度仍可分別達(dá)到1 260 MPa和1 030 MPa，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。采用自制釬焊CBN砂輪，寬度為10 mm，CBN磨粒以45°斜排，每排磨粒間隔1.2 mm，使用Ag-Cu-Ti釬料通過高頻感應(yīng)釬焊將磨粒固結(jié)至砂輪基體上；采用商購陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，寬度為20 mm，磨粒體積分?jǐn)?shù)為37.5%，砂輪孔隙率為43%。CBN磨粒粒度代號均為80/100(基本顆粒尺寸為150～180 μm)，砂輪表面形貌如圖1所示。

表1 FGH96材料化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of FGH96

(a)釬焊CBN砂輪Brazing CBN grinding wheel(b)陶瓷CBN砂輪Ceramic CBN grinding wheel圖1 砂輪工作面形貌Fig. 1 Working face topography of grinding wheel

表2 FGH96材料物理力學(xué)性能Tab. 2 Physical and mechanical properties of FGH96

磨削試驗(yàn)采用BLOHM PROFIMAT MT-408高速精密平面磨床，主軸功率為45 kW，主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)條件見表3。磨削力測量采用KISTLER 9317C型三通道壓電測力儀，并使用KISTLER 5018型功率放大器放大。使用康銅絲-工件半人工熱電偶測量磨削區(qū)溫度，根據(jù)所用的工件材料不同對半人工熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，康銅絲-FGH96標(biāo)定后的溫度計算公式如式(1)所示[19]：

表3 磨削條件

圖2 試驗(yàn)裝置Fig. 2 Test equipment

θFGH96=-0.0367u2+12.3950u+25.9680

(1)

其中:θFGH96是FGH96材料的磨削溫度，u為磨削過程中熱電偶測量得到的熱電勢。

FGH96表面粗糙度采用Mahr M1表面粗糙度測量儀測量，探針針尖直徑為0.2 μm，取樣長度為0.8 mm。磨削力與溫度、表面粗糙度的試驗(yàn)結(jié)果均采用5次測量，取均值。通過Quanta 200掃描電鏡觀察工件表面形貌。使用HK-7700 3D 顯微鏡觀測磨削前后砂輪工作面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨削力分析

磨削溫度、砂輪磨損以及工件表面質(zhì)量都受到磨削力的影響。因此,對FGH96磨削過程中的磨削力進(jìn)行研究，進(jìn)而更好地理解釬焊CBN砂輪與陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削FGH96時的加工性。

圖3為FGH96在釬焊CBN砂輪與陶瓷CBN砂輪磨削下的切向與法向力受磨削工藝參數(shù)的影響曲線。從圖3a可知：總體上，2種CBN砂輪磨削力隨磨削深度增大而增大。圖3b中，進(jìn)給速度由180 mm/min增至720 mm/min，陶瓷CBN砂輪的切向和法向力分別從11.75 N和18.98 N增大到38.12 N和90.37 N，釬焊CBN砂輪的切向和法向力則分別從17.91 N和30.35 N增大到35.87 N和70.58 N。圖3c中，砂輪線速度從30 m/s增大到100 m/s，釬焊CBN砂輪的切向力從53.36 N降低到23.98 N，法向力從90.86 N降低到30.52 N；陶瓷CBN砂輪的切向和法向力分別從61.20 N和114.15 N降低到16.49 N和25.51 N。

綜上，在相同磨削參數(shù)下，釬焊CBN砂輪的磨削力接近或低于陶瓷CBN砂輪的。這是因?yàn)殁F焊CBN砂輪磨粒呈有序排布，磨粒出露高度較為一致，且具有較大的容屑空間[20]，因此具有更好的磨削加工性。

(a)磨削深度的影響Influence of grinding depth(b)進(jìn)給速度的影響Influence of feed rate(c)砂輪線速度的影響Influence of grinding wheel linear velocity圖3 磨削力受工藝參數(shù)的變化規(guī)律Fig. 3 Variation of grinding force affected by process parameters

2.2 磨削溫度分析

磨削時產(chǎn)生的許多熱量被傳遞到工件、砂輪以及冷卻液中。在磨削用量較大時，極易產(chǎn)生磨削高溫，而高溫會產(chǎn)生磨削燒傷、工件微裂紋等缺陷[21-23]。因此，磨削溫度也是評價磨削加工性的重要參數(shù)。

圖4為典型的正常磨削溫度信號和突發(fā)燒傷的磨削溫度信號。其中，信號曲線中的高頻脈沖峰值表示磨削中的砂輪溫度, 而高頻脈沖的下包絡(luò)線為磨削FGH96工件的平均溫度[24]。在正常磨削條件下，即磨削參數(shù)恰當(dāng)時，磨削弧區(qū)產(chǎn)生的磨削熱被冷卻液迅速帶走，因而使得磨削區(qū)溫度較低，如圖4a所示；當(dāng)采用較大的磨削參數(shù)后，磨削區(qū)產(chǎn)生的磨削熱超出冷卻液的對流換熱能力，隨著磨削熱的不斷累積從而造成了工件的突發(fā)燒傷現(xiàn)象，如圖4b所示。

磨削溫度受工藝參數(shù)影響曲線如圖5所示。在圖5a中，隨著ap由0.1 mm增大到1.0 mm，2種CBN砂輪磨削溫度大幅升高，陶瓷和釬焊CBN砂輪分別由81.7 ℃和58.0 ℃升高到332.7 ℃和345.3 ℃。在圖5b中，陶瓷CBN砂輪進(jìn)給速度由360 mm/min增大到540 mm/min時，磨削溫度從100.6 ℃顯著升高到525.0 ℃；而釬焊CBN砂輪進(jìn)給速度由540 mm/min增大到720 mm/min時，磨削溫度從123.8 ℃顯著升高到421.8 ℃。在圖5c中，當(dāng)砂輪線速度增大時，2種CBN砂輪磨削溫度均隨之升高，且2種砂輪磨削溫度相差不大。

(a)正常磨削Normal grinding(b)突發(fā)燒傷磨削Sudden burn grinding圖4 磨削溫度信號Fig. 4 Grinding temperature signal

(a)磨削深度的影響Influence of grinding depth(b)進(jìn)給速度的影響Influence of feed rate(c)砂輪線速度的影響Influence of grinding wheel linear velocity圖5 磨削溫度受工藝參數(shù)變化規(guī)律Fig. 5 Variation of grinding temperature affectedby process parameters

依據(jù)磨削溫度綜合評價，2種CBN砂輪在進(jìn)給速度較低時磨削溫度較為接近，而當(dāng)進(jìn)給速度增大到540 mm/min時，陶瓷CBN砂輪磨削溫度顯著高于釬焊CBN砂輪，這可能是因?yàn)殁F焊CBN砂輪使用金屬結(jié)合劑固結(jié)磨粒，相比于陶瓷結(jié)合劑具有更高的熱導(dǎo)率，進(jìn)而磨削產(chǎn)生的熱量更多的傳入到砂輪基體，因此說明釬焊CBN砂輪在磨削FGH96材料上性能更優(yōu)。

2.3 磨削表面粗糙度

砂輪磨削后其表面粗糙度是評價磨削加工性能的重要參數(shù)。2種CBN砂輪在vs=80 m/s，ap=1.0 mm，vw=360 mm/min時，磨削后砂輪表面的微觀高度形貌如圖6所示，垂直于磨削方向取樣并計算其表面粗糙度。

(a)釬焊CBN砂輪Brazing CBN grinding wheel(b)陶瓷CBN砂輪Ceramic CBN grinding wheel圖6 不同砂輪磨削的加工表面微觀高度形貌Fig. 6 Micro height topography of machinedsurface ground by different grinding wheels

從圖6可知：釬焊CBN砂輪磨削表面溝槽高度為-3.666～1.940 μm，表面粗糙度為0.572 μm；而陶瓷CBN砂輪磨削表面溝槽高度是-3.860～2.382 μm，表面粗糙度為0.628 μm。

圖7為2種CBN砂輪磨削FGH96的表面粗糙度Ra試驗(yàn)結(jié)果。ap從0.1 mm增大到1.0 mm時，陶瓷CBN砂輪和釬焊CBN砂輪磨削表面粗糙度Ra分別從0.275 μm和0.267 μm增大到0.633 μm和0.622 μm；砂輪進(jìn)給速度vw從180 mm/min增大到720 mm/min時，陶瓷CBN砂輪和釬焊CBN砂輪磨削后工件表面粗糙度Ra分別從0.353 μm和0.351 μm增大到0.628 μm和0.572 μm；砂輪線速度vs從30 m/s增大到100 m/s時，陶瓷CBN砂輪和釬焊CBN砂輪磨削后工件表面粗糙度Ra分別從0.635 μm和0.604 μm減小到0.551 μm和0.540 μm。雖然釬焊CBN砂輪磨削力較高，但由于其磨粒規(guī)則排布，且磨粒出露高度較為一致，釬焊CBN砂輪磨削后工件的表面粗糙度整體上低于陶瓷CBN砂輪的[18,25-27]，兩者表面粗糙度Ra均在0.800 μm以下，計算不同磨削參數(shù)下2種CBN砂輪磨削后表面粗糙度的算術(shù)平均值，兩者平均表面粗糙度Ra分別為0.508 μm和0.529 μm。

因此，對于FGH96的磨削表面粗糙度，釬焊CBN砂輪磨削后的表面質(zhì)量優(yōu)于陶瓷CBN砂輪磨削后的。

(a)磨削深度的影響Influence of grinding depth(b)進(jìn)給速度的影響Influence of feed rate(c)砂輪線速度的影響Influence of grinding wheel linear velocity圖7 工件表面粗糙度隨工藝參數(shù)的變化Fig. 7 Surface roughness affected by process parameters

2.4 磨削表面形貌分析

使用三維視頻顯微鏡觀察磨削前后砂輪工作面形貌，磨削前2種砂輪的表面形貌如圖1所示，磨削后形貌如圖8所示。其中，釬焊CBN砂輪磨削后，表面可觀察到嚴(yán)重的材料黏附，如圖8a所示，這是粉末冶金高溫合金作為強(qiáng)韌性材料的典型加工特征。而陶瓷CBN砂輪磨削表面黏附相對較少，多為氣孔中發(fā)生的磨屑堵塞，如圖8b所示，這可能是材料黏附產(chǎn)生的較大磨削力致使CBN磨粒發(fā)生脫落。同時，2種CBN砂輪均可觀察出明顯的磨損產(chǎn)生的磨耗平臺與磨粒破碎。

(a)釬焊CBN砂輪Brazing CBN grinding wheel(b)陶瓷CBN砂輪Ceramic CBN grinding wheel圖8 不同砂輪的磨損表面形貌Fig. 8 Wear surface morphology of different grinding wheels

圖9為不同參數(shù)下釬焊CBN砂輪和陶瓷CBN砂輪磨削FGH96后的工件表面形貌。磨削條件為vs= 80 m/s、vw=360 mm/min、ap=0.5 mm時，工件表面微觀形貌如圖9a和圖9b所示。2種砂輪磨削FGH96所獲得的磨削表面微觀形貌磨痕規(guī)整，且沒有明顯缺陷，此時磨削表面沒有明顯差異。

磨削條件為vs=30 m/s、vw=540 mm/min、ap=0.5 mm條件時，釬焊CBN砂輪磨削FGH96后的磨削表面如圖9c所示。由圖9c可以明顯發(fā)現(xiàn)較寬的磨削痕跡，這是由于釬焊CBN砂輪磨粒參與磨削后，磨粒變鈍，單顆磨粒刃口圓弧半徑變大；其次，可以發(fā)現(xiàn)一部分磨粒切削產(chǎn)生的微溝槽與微凹坑。相同磨削參數(shù)下，陶瓷CBN砂輪磨削FGH96的磨削表面如圖9d所示。磨削表面存在一部分材料去除留下的坑洞，同時也存在輕微的材料涂覆。

磨削條件為vs=50 m/s、vw=900 mm/min、ap=0.5 mm時，釬焊CBN砂輪磨削后的表面微觀形貌如圖9e所示。除了磨削痕跡外，可以發(fā)現(xiàn)材料涂覆。這是因?yàn)镕GH96材料黏附在釬焊CBN砂輪上，當(dāng)黏附的高溫合金材料再次參與磨削時，較高的法向磨削力以及局部磨削熱導(dǎo)致黏附材料重新沉積在工件表面。相同參數(shù)下陶瓷CBN砂輪磨削FGH96的表面微觀形貌如圖9f所示。從圖9f可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的材料涂覆和較深的溝槽，同時溝槽中可以發(fā)現(xiàn)破碎的磨粒，這可能是突然破碎或者脫落的磨粒繼續(xù)參與磨削造成的。

(a)釬焊CBN砂輪Brazing CBN grinding wheel(b)陶瓷CBN砂輪Ceramic CBN grinding wheel(c)釬焊CBN砂輪Brazing CBN grinding wheel(d)陶瓷CBN砂輪Ceramic CBN grinding wheel(e)釬焊CBN砂輪Brazing CBN grinding wheel(f)陶瓷CBN砂輪Ceramic CBN grinding wheel圖9 不同條件下不同砂輪的磨削表面微觀形貌Fig. 9 Grinding surface micro morphology of differentgrinding wheels under different conditions

綜上，陶瓷CBN砂輪磨削過程中，可以發(fā)現(xiàn)磨粒破碎或脫落產(chǎn)生了嚴(yán)重的深溝槽缺陷，易對表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響；而釬焊CBN砂輪由于規(guī)則排布磨粒，磨削表面質(zhì)量較優(yōu)，但工件表面也產(chǎn)生了一定程度的材料涂覆。同時，隨著磨粒磨損，2種砂輪CBN磨粒磨削均產(chǎn)生較寬的磨削痕跡。

3 結(jié)論

研究了陶瓷CBN砂輪與釬焊CBN砂輪磨削加工FGH96材料的性能，探討了磨削參數(shù)(磨削深度、工件進(jìn)給速度與砂輪線速度)對磨削力、磨削溫度、砂輪磨損及表面粗糙度的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論：

(1)釬焊CBN砂輪磨削力接近或低于陶瓷CBN砂輪的，在較低進(jìn)給速度下(≤360 mm/min)，釬焊CBN砂輪磨削溫度與陶瓷CBN砂輪相近，在較高進(jìn)給速度下(≥540 mm/min)，陶瓷CBN砂輪的磨削溫度明顯高于釬焊CBN砂輪的。

(2)2種CBN砂輪在正常磨削條件下，釬焊CBN砂輪磨削后其表面粗糙度低于陶瓷CBN砂輪的，且表面粗糙度Ra均在0.800 μm以下，平均表面粗糙度Ra分別為0.508 μm和0.529 μm。由于釬焊CBN砂輪采用規(guī)則排布方式，而且磨粒出露高度一致，磨削后表面質(zhì)量優(yōu)于陶瓷CBN砂輪的。

(3)釬焊CBN砂輪工作面磨粒發(fā)生材料黏附、磨耗磨損，從而造成材料涂覆等磨削表面缺陷；除磨耗磨損、黏附和砂輪堵塞外，由于磨粒破碎和脫落，陶瓷CBN砂輪易在其磨削表面出現(xiàn)嚴(yán)重的深溝槽缺陷?？傮w而言，釬焊CBN砂輪磨削FGH96的性能優(yōu)于陶瓷CBN砂輪的。