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新型鎳基高溫合金磨削性能實驗研究

   2020-09-01 互聯(lián)網(wǎng)中國鑄造網(wǎng)9110
核心提示:1 引言高溫合金是多組元復(fù)雜合金,具有優(yōu)良的高溫強度和熱穩(wěn)定性,在600~1100℃的氧化和燃?xì)飧g條件下能

         

1 引言

高溫合金是多組元復(fù)雜合金,具有優(yōu)良的高溫強度和熱穩(wěn)定性,在600~1100℃的氧化和燃?xì)飧g條件下能長期工作,因而被廣泛應(yīng)用于航空、宇航、船舶及化學(xué)工業(yè)中。工業(yè)生產(chǎn)中通用的高溫合金分為鐵基、鎳基和鈷基三類,本文研究的為ВЖЛ1型(以下簡寫為此代號)鎳基高溫合金。
由于高溫合金通常作為關(guān)鍵器件在高溫和復(fù)雜應(yīng)力條件下長期工作,為了獲得良好的性能,在加工過程中通常需添加各種元素和采用強化工藝,使得高溫合金的切削(磨削)加工性能較差,主要體現(xiàn)在:
  1. 磨削高溫合金時,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);
  2. 由于鎳基高溫合金材料中含有高熔點合金元素,具有碳化物相及金屬間化合物g"相和g'相,易產(chǎn)生強烈的塑性變形,因而磨削力比一般鋼料大得多;
  3. 由于高溫合金的熱導(dǎo)率很低,因而磨削時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;
  4. 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。
ВЖЛ1是沈陽黎明航空發(fā)動機集團研制的一種新型鑄造鎳基高溫合金,實際生產(chǎn)中的加工性能較差,為了提高大批量生產(chǎn)的加工效率和質(zhì)量,降低成本,研究其磨削加工性能具有十分重要的意義。

2 ВЖЛ1的化學(xué)成分和力學(xué)性能

ВЖЛ1的成份復(fù)雜,主要為鎳(約≥60%)及Cr、W、Mo、Ti.、Al、C等幾種元素,對一些微量組份(例如S、P、Mn、Si等)進行嚴(yán)格的控制,使其具有良好的高溫強度和熱穩(wěn)定性,常溫下拉伸強度sb≥670MPa,布氏硬度為300~600。ВЖЛ1各組成成份的含量見表1。
表1 ВЖЛ1合金含量組成,%
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 ≤3.5 ≤0.13 ≤2.0 ≤0.02 ≤0.02

3 ВЖЛ1磨削性能的實驗

  1. 實驗條件
    試件:43.5×25×240mm鑄件;實驗?zāi)ハ髅娉叽纾耗ハ鏖L度l=43.5mm,磨削寬度b=10.0mm;加工設(shè)備:液壓萬能工具磨床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%)。
    測試儀器采用Kistler壓電三向動態(tài)測力儀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,數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)。
  2. 實驗方案
    1. 磨削正交實驗中,依據(jù)二因素三水平正交實驗方案(見表2)用180#CBN砂輪進行磨削。
      表2 磨削正交實驗及結(jié)果
      實驗號 Fr
      mm
      Vs
      m/s
      Ft
      N
      Fn
      N
      1 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
    2. 磨削力隨磨削過程變化實驗方案,分別用新修整過的WA 80#、CBN 100#、CBN 180#砂輪進行實驗,記錄實驗的磨削力。方式:逆磨,實驗次數(shù):80~100次,參數(shù):Vs=25.8m/s,F(xiàn)r=0.01mm,VW=0.67m/min。
    3. 修整方案,先進行修圓,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。
    4. 內(nèi)圓磨削工藝實驗
      分別采用外徑為f10的CBN120#和CBN180#的內(nèi)圓磨砂輪對內(nèi)孔徑為f10的試件進行磨削工藝實驗,磨削砂輪的轉(zhuǎn)速為24000r/min,加切削液,測定粗糙度進行比對,然后檢驗加工質(zhì)量,作為實際生產(chǎn)中的應(yīng)用依據(jù)。
  3. 磨削力經(jīng)驗公式
    通過采用正交實驗和多元線性分析可以得到磨削力經(jīng)驗公式為
    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。受實驗條件的限制,把平臺的移動速度固定為VW≈0.67m/min。

    圖1 進給量對磨削切向力的影響示意圖

    圖2 進給量對磨削徑向力的影響示意圖

    圖3 白剛玉砂輪磨削時磨削力隨磨削過程的變化

    圖4 采用CBN100#磨料時磨削力隨磨削過程的變化

    圖5 采用CBN180#磨料時磨削力隨磨削過程的變化
    根據(jù)磨削力經(jīng)驗公式和進給量對磨削力的影響示意圖(見圖1、2)可以看出,用CBN 180#磨削ВЖЛ1的過程中,磨削力并不大,它隨進給量Fr的增大而增大,隨砂輪磨削速度的增大而明顯降低,因此進給量對磨削力影響十分顯著。
  4. 磨削力隨磨削過程變化的結(jié)果分析
    1. 白剛玉進行磨削加工時的磨削力變化過程
      變化過程曲線如圖3所示。圖中分別伴隨以Ft、Fn的曲線為Ft和Fn的趨勢線。在用剛玉砂輪進行加工的過程中,磨削力一直增大,在全部磨削過程中伴隨有較嚴(yán)重的粘附現(xiàn)象,相當(dāng)于一個磨損鈍化的砂輪在磨削時,有時會因部分磨粒的脫落而使磨削力在一段時期內(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摩擦,故而變化不大。
      雖然用剛玉砂輪磨削時磨削力不斷增加,但在80次以前磨削力并不大,說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。
    2. CBN 100#磨削加工時磨削力的變化變化過程的曲線如圖4所示,圖中分別伴隨以Ft、Fn的曲線為Ft和Fn的趨勢線。由圖可見,用剛修整過的砂輪磨削時,初期磨削力相對較小,隨后磨削力迅速增至最大值,達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,并達到一個較長的穩(wěn)定階段。工藝系統(tǒng)彈性變形使刀及剛修過的砂輪表面容易脫落,磨削力降低,實際磨削深度增大。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粘結(jié)劑及磨粒所能承受的程度時,磨粒開始脫落,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始達到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定狀態(tài)開始的次數(shù)約為20~30次。CBN砂輪的穩(wěn)定狀態(tài)較長,說明CBN砂輪的耐磨性較好,磨粒不易磨鈍。
    3. 磨削加工時磨削力的變化
      如圖5所示,變化過程的曲線中同樣伴隨線為Ft、Fn的趨勢線。由圖可見,用CBN180#砂輪磨削時的磨削過程變化與CBN100#磨削過程基本相同。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。
  5. 砂輪的磨削及磨損狀況
    1. 砂輪的表面狀況
      在磨削高溫合金的過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,諸如Cr2O3、Al2O3等均屬六方系統(tǒng),有a-Al2O3結(jié)構(gòu),其點陣參數(shù)相近,會使Al、Cr、Ti等通過其表面氧化物與剛玉形成較強的粘附,只要用剛玉磨削高溫合金,不管采取多大的磨削用量都會發(fā)生粘附;增大磨削深度ap會導(dǎo)致磨削力和磨削溫度增大,粘附會相應(yīng)增加。用CBN磨料磨削時,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期穩(wěn)定階段,說明了CBN砂輪對ВЖЛ1材料有良好的磨削性能。
    2. 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,說明其磨削性能好;CBN180#砂輪磨削比較低,說明其良好的自銳性使表面的粘附少,適于對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。
  6. 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)。在本次實驗的粗糙度測試中,在相同條件下用三種磨料分別對高溫合金ВЖЛ1和K24進行磨削,其磨削情況的對比見表4。對高溫合金的有進給平磨磨削中,CBN砂輪的磨削質(zhì)量沒有明顯的改善,尤其在使用CBN180#的加工中,表面質(zhì)量有所下降,說明在有進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進給光磨,以提高其表面質(zhì)量。
    表4 ВЖЛ1和K24的表面質(zhì)量對比(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
  7. 內(nèi)圓磨削工藝實驗結(jié)果及分析
    在ВЖЛ1內(nèi)圓磨削時,為應(yīng)用CBN砂輪提供實驗依據(jù)和經(jīng)驗加工參數(shù),特別用兩種CBN砂輪對孔徑為f的試件進行了工藝實驗,實驗結(jié)果見表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。
  8. 磨削加工中磨削液的選擇
    表5 內(nèi)圓磨實驗的表面質(zhì)量
    實驗號 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——在實驗b基礎(chǔ)之上用CBN180#加工的試件,d——在實驗c基礎(chǔ)之上進行研磨拋光的試件,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,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,因此磨削時應(yīng)注意在切削液充足的條件下進行,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。
  9. 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)該比磨削碳鋼時小一些,以減小磨削工作量,粗磨時一般留0.15~0.3mm,精磨時留0.03~0.05mm。實驗表明,砂輪的線速度在25~30m/s左右時加工效果較好,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。工件速度對磨削燒傷影響較大,磨削高溫合金時應(yīng)適當(dāng)提高工件速度,但不宜過高,否則會引起自激震蕩。

4 結(jié)語

通過對鎳基高溫合金ВЖЛ1的磨削特性進行的實驗研究,獲得了不同磨料下磨削力、磨削表面狀況和磨削比等基本特性隨磨削過程變化的情況,得出了精磨時磨削力隨磨削參量變化的經(jīng)驗公式,為生產(chǎn)實際提供了可靠的依據(jù),在實際應(yīng)用中得到了良好的效果。


 
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