納米陶瓷結合劑CBN砂輪磨削高溫鎳基合金研究*

王志輝，徐升智，白國慶

(1.太原學院，山西 太原 030032；2.東北大學，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

鎳基合金[1-3]在高溫下有著非常優(yōu)異的力學性能,所以在燃氣渦輪發(fā)動機中有非常重要的應用。鎳基合金作為一種難加工金屬,在磨削過程中會產生強烈的塑性變形,極易粘附在砂輪表面,從而堵塞砂輪氣孔,影響散熱條件,同時粘附金屬與被加工表面的摩擦因數(shù)急劇增大,使得磨削力和磨削溫度都會急劇增大,進而導致已加工表面質量惡化,砂輪磨損嚴重。陶瓷結合劑CBN砂輪[4]可以確保磨粒有鋒利的棱角裸露在外,加工效率極高;在制造過程中可以進行硬度和氣孔大小上的調整,磨削時有利于排屑和散熱,不易堵塞砂輪氣孔,不易燒傷工件。但是陶瓷結合劑砂輪[5]存在脆性大的問題,抗折強度低,使其在高速磨削中的應用受到限制。

Shan D等[6]添加質量分數(shù)為4%的TiO2增強陶瓷結合劑的力學性能,其流動性也都加強了很多。東北大學張景強等[7]在研究陶瓷結合劑過程中加入納米Al2O3、納米SiO2和納米ZrO2等添加劑,成功地提高了結合劑的機械強度,改善了流動性和高溫浸潤性。燕山大學張向紅等[8,9]對納米陶瓷結合劑進行了研究,結果表明納米添加物的添加能夠提高結合劑的強度和耐磨性,使流動性和氣孔等方面有了一定的改善。目前國內外關于陶瓷結合劑CBN砂輪以及鎳基合金的可磨削性[10-14]研究是比較多的,但是關于利用納米技術來制備性能更好的陶瓷結合劑CBN砂輪并對鎳基合金進行磨削的研究不多。

在研究納米材料對陶瓷結合劑砂輪性能影響的基礎上[15-17],本文對鎳基合金進行磨削實驗,結合磨削過程中力分量、溫度和磨削后的表面質量的測量,評估納米陶瓷結合劑CBN砂輪對鎳基合金的可磨削性。

1 實驗方案

同時制備普通陶瓷結合劑砂輪和納米陶瓷結合劑砂輪用于磨削實驗。磨床型號為2M9120,采用Kistler三向測力儀測量磨削力,磨削加工實驗如圖1所示,工件材料為高溫鎳基合金GH4169,采用逆磨的方式,不加冷卻液。砂輪參數(shù)如表1所示。

表1 砂輪參數(shù)

圖1 磨削加工實驗示意圖

磨削一般作為機械加工的最后一道工藝,表面質量要求成為評價磨削工藝優(yōu)劣的重要指標。通過三水平三因素正交實驗,探究磨削工藝參數(shù)對表面質量的影響,實驗參數(shù)如表2所示。

表2 磨削正交實驗表

高溫鎳基合金在磨削過程中由于粘附現(xiàn)象嚴重,很容易引起工件燒傷問題。通過單因素實驗研究磨削工藝參數(shù)對磨削力和磨削溫度的影響,實驗參數(shù)如表3所示。磨削測溫原理示意圖如圖2所示。圖2中,測溫裝置原理為熱電偶測溫,使用云母片將兩個熱電偶隔開,達到絕緣目的;溝槽用于放置云母片,保證除放置云母片位置外的工件表面可以緊密貼合在一起。

表3 單因素磨削實驗表

圖2 磨削測溫原理示意圖

2 實驗結果分析

2.1 磨削后表面質量分析

采用三維共聚焦激光顯微鏡對磨削后的表面質量進行觀測,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,納米陶瓷結合劑砂輪磨削后的表面粗糙度大多小于普通陶瓷結合劑砂輪磨削后的表面粗糙度。

對表2所示的磨削正交實驗進行極差分析,極差大小代表了該實驗參數(shù)對實驗結果的影響程度,分析結果如表5所示。由粗糙度均值可確定其最佳參數(shù)組合,對于納米陶瓷結合劑砂輪而言,采用20 m/s的磨削速度、1.2 m/min的進給速度、40 μm的磨削深度能夠達到最優(yōu)狀態(tài)。

表5 正交實驗極差分析

對比表5中兩者磨削實驗的極差可知,納米陶瓷結合劑砂輪磨削高溫鎳基合金各因素的極差值均小于普通陶瓷結合劑砂輪磨削的值,說明前者對高溫鎳基合金的可磨削性更好,使得各因素對表面粗糙度影響減小,這就意味著使用納米陶瓷結合劑砂輪可以采用較大的進給速度和較深的磨削深度,在對表面質量影響不大的條件下極大地提高了磨削效率。

2.2 磨削力與磨削溫度分析

根據(jù)表3實驗序號1、2、3工藝參數(shù)進行磨削實驗,結果如圖3所示,法向磨削力Fz和切向磨削力Fx會隨著磨削深度的增大而增大。首先,磨削深度增大導致單個磨粒的未變形磨削厚度也隨之增大;其次,磨削深度增大必然會使砂輪與工件之間的接觸弧長變長,即同時參與磨削的磨?？倲?shù)增多;第三,接觸弧變大,磨屑的排出路徑變長,磨屑在砂輪工件接觸區(qū)域的高溫環(huán)境中受到砂輪和工件的強烈摩擦和擠壓變形,極容易與砂輪發(fā)生粘結。以上三點都會造成磨削力的增加。

圖3 磨削深度-磨削力關系曲線

根據(jù)表3實驗序號4、5、6工藝參數(shù)進行磨削試驗,結果如圖4所示,隨著磨削速度的提升,磨削力呈減小的趨勢,這是因為去除相同的材料高轉速相當于增加了磨削次數(shù),也就是每次磨削的磨削量減少了,這樣一來磨削力就會隨之減小。

圖4 磨削速度-磨削力關系曲線

磨削溫度在實驗過程中變化不大,選擇表3中實驗2的實驗參數(shù)對兩種砂輪的磨削進行比較,結果如圖5所示。在相同的工藝條件下對高溫鎳基合金進行磨削實驗,通過熱電偶測量磨削區(qū)溫度,可以發(fā)現(xiàn)使用納米陶瓷結合劑CBN砂輪的磨削區(qū)溫度低于使用普通陶瓷結合劑砂輪15 ℃～20 ℃左右。

圖5 磨削區(qū)域溫度變化曲線

由圖4和圖5可知,使用納米陶瓷結合劑砂輪磨削高溫鎳基合金可以獲得更小的磨削力,這可能是因為納米陶瓷結合劑砂輪燒結溫度小于普通陶瓷結合劑砂輪,其CBN磨粒受到的熱損傷更小,此外,摻入的納米材料粒子細化了晶粒,使結合劑中物質均勻彌散,磨粒鈍化后也會在結合劑中均勻脫落,所以可以保持磨粒堅硬鋒利,從而減輕磨削過程的粘附現(xiàn)象,降低磨削力和磨削區(qū)溫度。

3 結語

本文通過對高溫鎳基合金進行磨削實驗,研究了納米陶瓷結合劑砂輪對高溫鎳基合金的可磨削性。研究結果表明,納米陶瓷結合劑砂輪比普通陶瓷結合劑砂輪磨削高溫鎳基合金具有更大的優(yōu)越性。

(1) 使用納米陶瓷結合劑砂輪磨削高溫合金時可以有效降低磨削力和磨削溫度,從而減小砂輪磨損,提高砂輪使用壽命,同時避免造成工件燒傷。

(2) 納米陶瓷結合劑砂輪相比于普通陶瓷結合劑砂輪可以明顯改善工件磨削后表面質量,降低表面粗糙度。