1 引言
- 磨削高溫合金時(shí),砂輪磨粒有較嚴(yán)重的磨耗磨損和粘附堵塞,磨削比很低(普通砂輪的磨削比G=1~2);
- 由于鎳基高溫合金材料中含有高熔點(diǎn)合金元素,具有碳化物相及金屬間化合物g"相和g'相,易產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形,因而磨削力比一般鋼料大得多;
- 由于高溫合金的熱導(dǎo)率很低,因而磨削時(shí)傳入工件的熱量百分比較低,且熱量集中在極薄的磨削表面層,使得磨削溫度很高;
- 在磨削力和溫度的綜合作用下,產(chǎn)生磨削燒傷,表面質(zhì)量不易保證。
2 ВЖЛ1的化學(xué)成分和力學(xué)性能
元素 | C | Cr | W | Mo | Ti | Al | Ni | Fe | B | Si | S | P |
含量 | 0.10-0.17 | 15.0-17.0 | 2.0-2.5 | 3.5-5.0 | 2.0-3.0 | 2.0-2.8 | 基 | ≤3.5 | ≤0.13 | ≤2.0 | ≤0.02 | ≤0.02 |
3 ВЖЛ1磨削性能的實(shí)驗(yàn)
- 實(shí)驗(yàn)條件
- 試件:43.5×25×240mm鑄件;實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ髅娉叽纾耗ハ鏖L(zhǎng)度l=43.5mm,磨削寬度b=10.0mm;加工設(shè)備:液壓萬(wàn)能工具磨床MYA6025,內(nèi)圓工具磨床MD215。
- 磨具材料:平磨125×32×15粒度100#CBN砂輪(濃度100%),125×32×15粒度180#CBN砂輪(濃度100%),125×32×15粒度80#白剛玉砂輪;內(nèi)圓磨f10粒度120#CBN砂輪,f10粒度180#CBN砂輪(濃度100%)。
- 測(cè)試儀器采用Kistler壓電三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀9257B,Kistler電荷放大器5007,數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)采用12位A/D接口卡,486微機(jī),數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)。
- 實(shí)驗(yàn)方案
- 磨削正交實(shí)驗(yàn)中,依據(jù)二因素三水平正交實(shí)驗(yàn)方案(見(jiàn)表2)用180#CBN砂輪進(jìn)行磨削。
表2 磨削正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果 實(shí)驗(yàn)號(hào) Fr
mmVs
m/sFt
NFn
N1 0.01 17.52 17.45 27.21 2 0.01 25.96 12.60 23.22 3 0.01 32.45 7.97 15.64 4 0.02 17.52 30.02 45.56 5 0.02 25.96 23.05 39.46 6 0.02 32.45 15.72 25.74 7 0.03 17.52 42.69 62.30 8 0.03 25.96 33.84 55.45 9 0.03 32.45 25.92 44.49 - 磨削力隨磨削過(guò)程變化實(shí)驗(yàn)方案,分別用新修整過(guò)的WA 80#、CBN 100#、CBN 180#砂輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)的磨削力。方式:逆磨,實(shí)驗(yàn)次數(shù):80~100次,參數(shù):Vs=25.8m/s,F(xiàn)r=0.01mm,VW=0.67m/min。
- 修整方案,先進(jìn)行修圓,采用金剛石筆修整法。白剛玉砂輪修整參數(shù)為:粗修Vs=25.8m/s,F(xiàn)r=0.02mm,F(xiàn)a=1mm/s,2次;精修Vs=25.8m/s,F(xiàn)r=0.01mm,F(xiàn)a=1mm/s,2次;光修Vs=25.8m/s,F(xiàn)r=0mm,F(xiàn)a=1mm/s,2次;CBN砂輪的修整方案為:精修Vs=25.96m/s,F(xiàn)r=0.01mm,F(xiàn)a=1mm/s,4次;光修Vs=25.96m/s,F(xiàn)r=0mm,F(xiàn)a=1mm/s,2次。
- 內(nèi)圓磨削工藝實(shí)驗(yàn)
- 分別采用外徑為f10的CBN120#和CBN180#的內(nèi)圓磨砂輪對(duì)內(nèi)孔徑為f10的試件進(jìn)行磨削工藝實(shí)驗(yàn),磨削砂輪的轉(zhuǎn)速為24000r/min,加切削液,測(cè)定粗糙度進(jìn)行比對(duì),然后檢驗(yàn)加工質(zhì)量,作為實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用依據(jù)。
- 磨削力經(jīng)驗(yàn)公式
- 通過(guò)采用正交實(shí)驗(yàn)和多元線性分析可以得到磨削力經(jīng)驗(yàn)公式為
Ft=104.32Fr0.924Vs-1.003
Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741- 式中Ft、Fn的單位為N,F(xiàn)r的單位為mm,Vs的單位為mm/s。受實(shí)驗(yàn)條件的限制,把平臺(tái)的移動(dòng)速度固定為VW≈0.67m/min。
圖1 進(jìn)給量對(duì)磨削切向力的影響示意圖
圖2 進(jìn)給量對(duì)磨削徑向力的影響示意圖
圖3 白剛玉砂輪磨削時(shí)磨削力隨磨削過(guò)程的變化
圖4 采用CBN100#磨料時(shí)磨削力隨磨削過(guò)程的變化
圖5 采用CBN180#磨料時(shí)磨削力隨磨削過(guò)程的變化- 根據(jù)磨削力經(jīng)驗(yàn)公式和進(jìn)給量對(duì)磨削力的影響示意圖(見(jiàn)圖1、2)可以看出,用CBN 180#磨削ВЖЛ1的過(guò)程中,磨削力并不大,它隨進(jìn)給量Fr的增大而增大,隨砂輪磨削速度的增大而明顯降低,因此進(jìn)給量對(duì)磨削力影響十分顯著。
- 磨削力隨磨削過(guò)程變化的結(jié)果分析
- 白剛玉進(jìn)行磨削加工時(shí)的磨削力變化過(guò)程
- 變化過(guò)程曲線如圖3所示。圖中分別伴隨以Ft、Fn的曲線為Ft和Fn的趨勢(shì)線。在用剛玉砂輪進(jìn)行加工的過(guò)程中,磨削力一直增大,在全部磨削過(guò)程中伴隨有較嚴(yán)重的粘附現(xiàn)象,相當(dāng)于一個(gè)磨損鈍化的砂輪在磨削時(shí),有時(shí)會(huì)因部分磨粒的脫落而使磨削力在一段時(shí)期內(nèi)下降,到最后階段砂輪的表面基本都被磨削材料覆蓋,造成粘附的金屬與被磨零件表面接觸,因此Fn方向的力急劇增加,而Ft方向的力由于變成了滑動(dòng)摩擦,故而變化不大。
- 雖然用剛玉砂輪磨削時(shí)磨削力不斷增加,但在80次以前磨削力并不大,說(shuō)明剛玉砂輪材料在少量磨削的情況下還是比較鋒利的,效率較高,但在大量磨削情況則不易采用。
- CBN 100#磨削加工時(shí)磨削力的變化變化過(guò)程的曲線如圖4所示,圖中分別伴隨以Ft、Fn的曲線為Ft和Fn的趨勢(shì)線。由圖可見(jiàn),用剛修整過(guò)的砂輪磨削時(shí),初期磨削力相對(duì)較小,隨后磨削力迅速增至最大值,達(dá)到一定磨削力后再繼續(xù)磨削,磨削力又有一定程度的降低,并達(dá)到一個(gè)較長(zhǎng)的穩(wěn)定階段。工藝系統(tǒng)彈性變形使刀及剛修過(guò)的砂輪表面容易脫落,磨削力降低,實(shí)際磨削深度增大。由于砂輪表面磨粒數(shù)已基本穩(wěn)定,磨粒迅速鈍化,當(dāng)磨削力不斷增大到超過(guò)粘結(jié)劑及磨粒所能承受的程度時(shí),磨粒開(kāi)始脫落,使參與磨削的有效磨粒數(shù)減少,因而磨削力又有一定程度的下降,在降到一定程度后開(kāi)始達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定狀態(tài)開(kāi)始的次數(shù)約為20~30次。CBN砂輪的穩(wěn)定狀態(tài)較長(zhǎng),說(shuō)明CBN砂輪的耐磨性較好,磨粒不易磨鈍。
- 磨削加工時(shí)磨削力的變化
- 如圖5所示,變化過(guò)程的曲線中同樣伴隨線為Ft、Fn的趨勢(shì)線。由圖可見(jiàn),用CBN180#砂輪磨削時(shí)的磨削過(guò)程變化與CBN100#磨削過(guò)程基本相同。不同的是,CBN180#砂輪磨削力要小得多,這主要是磨削過(guò)程中磨粒更容易脫落,使得參與磨削的磨粒數(shù)減少,因此磨削力小。
- 砂輪的磨削及磨損狀況
- 砂輪的表面狀況
- 在磨削高溫合金的過(guò)程中都伴隨一定的粘附。剛玉磨料的粘附較為嚴(yán)重,原因是用剛玉磨削時(shí),諸如Cr2O3、Al2O3等均屬六方系統(tǒng),有a-Al2O3結(jié)構(gòu),其點(diǎn)陣參數(shù)相近,會(huì)使Al、Cr、Ti等通過(guò)其表面氧化物與剛玉形成較強(qiáng)的粘附,只要用剛玉磨削高溫合金,不管采取多大的磨削用量都會(huì)發(fā)生粘附;增大磨削深度ap會(huì)導(dǎo)致磨削力和磨削溫度增大,粘附會(huì)相應(yīng)增加。用CBN磨料磨削時(shí),只有輕微的粘附現(xiàn)象,由于CBN砂輪的自銳性比較好,故兩種砂輪的磨削力可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定階段,說(shuō)明了CBN砂輪對(duì)ВЖЛ1材料有良好的磨削性能。
- 砂輪的磨損
- 用幾種磨料磨削ВЖЛ1的磨削比如表3所示。用白剛玉或單晶剛玉磨削高溫合金的磨削比通常比較低,而CBN100#砂輪在相同條件下有較高的磨削比,說(shuō)明其磨削性能好;CBN180#砂輪磨削比較低,說(shuō)明其良好的自銳性使表面的粘附少,適于對(duì)ВЖЛ1的精加工。
表3 磨削比 磨料 WA80# CBN100# CBN180# 磨削比(G) 1.174 8.92 1.11 注:磨削條件Vs=25.8m/s,F(xiàn)r=0.01mm,VW=0.67m/min。 - 用幾種磨料磨削ВЖЛ1的磨削比如表3所示。用白剛玉或單晶剛玉磨削高溫合金的磨削比通常比較低,而CBN100#砂輪在相同條件下有較高的磨削比,說(shuō)明其磨削性能好;CBN180#砂輪磨削比較低,說(shuō)明其良好的自銳性使表面的粘附少,適于對(duì)ВЖЛ1的精加工。
- 磨削表面加工質(zhì)量
- 磨削表面粗糙度與砂輪的單位面積磨粒數(shù)、磨粒分布及切削痕跡有關(guān)。在本次實(shí)驗(yàn)的粗糙度測(cè)試中,在相同條件下用三種磨料分別對(duì)高溫合金ВЖЛ1和K24進(jìn)行磨削,其磨削情況的對(duì)比見(jiàn)表4。對(duì)高溫合金的有進(jìn)給平磨磨削中,CBN砂輪的磨削質(zhì)量沒(méi)有明顯的改善,尤其在使用CBN180#的加工中,表面質(zhì)量有所下降,說(shuō)明在有進(jìn)給加工中磨削效果較差,建議在生產(chǎn)中的最后精加工工序中采用精磨或無(wú)進(jìn)給光磨,以提高其表面質(zhì)量。
表4 ВЖЛ1和K24的表面質(zhì)量對(duì)比(Ra/µm) 高溫合金 磨料 WA80# CBN100# CBN180# ВЖЛ1 1.06 1.0 1.93 K24 1.01 0.886 1.43 - 內(nèi)圓磨削工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
- 在ВЖЛ1內(nèi)圓磨削時(shí),為應(yīng)用CBN砂輪提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)加工參數(shù),特別用兩種CBN砂輪對(duì)孔徑為f的試件進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從表中可以看出,用CBN內(nèi)圓磨砂輪加工ВЖЛ1高溫合金表面質(zhì)量良好,粗糙度有明顯的改善(<0.7),建議采用的磨削速度為24000~30000r/min。
- 磨削加工中磨削液的選擇
表5 內(nèi)圓磨實(shí)驗(yàn)的表面質(zhì)量 實(shí)驗(yàn)號(hào) Ra (µm) a 3.72 b 1.35 c 0.70 d 0.168 注:a——未經(jīng)加工的試件,b——用CBN120#粗加工的試件,c——在實(shí)驗(yàn)b基礎(chǔ)之上用CBN180#加工的試件,d——在實(shí)驗(yàn)c基礎(chǔ)之上進(jìn)行研磨拋光的試件,磨削條件為:加磨削液,加工速度為24000r/min。 - 由于高溫合金的導(dǎo)熱性能較差,磨削時(shí)傳入工件熱量的百分比較低,磨削中產(chǎn)生的大量熱量集中在極薄的磨削表面層,因而磨削溫度很高,易使表面燒傷,產(chǎn)生燒傷裂紋,當(dāng)表面金屬收縮時(shí),受內(nèi)部金屬的牽制,使磨后工件表面呈有害的拉應(yīng)力,磨削精度降低,因此磨削時(shí)應(yīng)注意在切削液充足的條件下進(jìn)行,以便帶走較多的切削熱及沖洗試件和砂輪表面,從而獲得較好的磨削質(zhì)量。一般采用油基磨削液噴注冷卻,以減少砂輪阻塞。
- 磨削用量的合理選擇
- 在高溫合金ВЖЛ1的磨削加工中,一般采用較小的磨削余量、適中的工件速度和中等偏上的砂輪速度。磨削所留的余量應(yīng)該比磨削碳鋼時(shí)小一些,以減小磨削工作量,粗磨時(shí)一般留0.15~0.3mm,精磨時(shí)留0.03~0.05mm。實(shí)驗(yàn)表明,砂輪的線速度在25~30m/s左右時(shí)加工效果較好,也可采用高速磨削(40~60m/s),這樣金屬切除率和磨削比將大大提高,但必須具備相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)措施。工件速度對(duì)磨削燒傷影響較大,磨削高溫合金時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高工件速度,但不宜過(guò)高,否則會(huì)引起自激震蕩。
- 磨具材料:平磨125×32×15粒度100#CBN砂輪(濃度100%),125×32×15粒度180#CBN砂輪(濃度100%),125×32×15粒度80#白剛玉砂輪;內(nèi)圓磨f10粒度120#CBN砂輪,f10粒度180#CBN砂輪(濃度100%)。
4 結(jié)語(yǔ)
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