鎳基高溫合金珩磨表面粗糙度研究

高紹武 楊長勇,2 徐九華 傅玉燦 周曉衛 閆 文 左 朋

1.南京航空航天大學機電學院，南京，2100162.南京工程學院先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，南京，2111673.西安航空動力股份有限公司，西安，7100214.蘇州信能精密機械有限公司，蘇州，215223

鎳基高溫合金珩磨表面粗糙度研究

高紹武1楊長勇1,2徐九華1傅玉燦1周曉衛3閆 文3左 朋4

1.南京航空航天大學機電學院，南京，2100162.南京工程學院先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，南京，2111673.西安航空動力股份有限公司，西安，7100214.蘇州信能精密機械有限公司，蘇州，215223

為探索鎳基高溫合金的珩磨加工性，進而實現鎳基高溫合金精密孔的高效加工，進行了GH4169定量進給珩磨試驗，并對珩磨加工表面粗糙度進行了分析。結果表明：油石平均粒徑及每往復進給量是影響珩磨表面粗糙度的顯著因素(置信水平分別為99.5%及95%)，切向珩磨速度、軸向往復速度對珩磨表面粗糙度的影響不顯著；減小油石平均粒徑與每往復進給量后，單顆磨粒的平均切厚、珩磨表面粗糙度和工件表面的劃痕溝槽寬度減小。

珩磨；粒徑；表面粗糙度；正交試驗；顯著性

0 引言

鎳基高溫合金因其優異的高溫強度、熱穩定性及抗疲勞特性，被廣泛應用于航空發動機熱端精密部件制造[1]。針對該類熱端部件的精密孔結構，一般采用內圓磨削工藝進行精加工。但高溫合金高溫強度高、加工硬化嚴重、熱導率低等特點，給其磨削加工帶來砂輪磨損較快、磨削力大、磨削溫度高等問題，磨削加工表面完整性不易保證[2-3]。表面完整性是影響零件性能的重要指標之一，對航空發動機熱端部件的磨損特性及疲勞壽命有很大影響[4-5]。對于內圓磨削而言，磨削弧區較長，冷卻液不易進入，為避免燒傷，一般采用較低的材料去除率進行加工，加工效率低[6]。探索航空發動機熱端部件精密孔的高效加工方法，對降低航空發動機零件的生產成本、延長工作壽命、提高其工作可靠性具有重要意義。

珩磨加工是一種面接觸磨削加工方法，在保證孔尺寸、形狀精度的同時，可獲得較好的表面粗糙度，廣泛應用于精密孔加工[7-8]。珩磨加工中，單顆磨粒切削速度較低，熱流密度相對較小，工件表面不易發生燒傷，同時珩磨的面接觸磨削特性可保證其實現較高的材料去除率。珩磨工藝能較好地彌補現有內圓磨削工藝的不足，在精密孔的高效加工領域獲得廣泛應用。

然而，高溫合金的難加工性在珩磨加工中依然存在，國內外學者對高溫合金的珩磨工藝進行了初步的探索。彭海等[9]進行珩磨試驗發現，采用白剛玉油石珩磨高溫合金時，油石磨損快，珩磨溫度高，加工表面硬化嚴重；CBN油石珩磨性能較好，珩磨力小，溫度低，珩磨過程穩定，可獲得較好的表面粗糙度，然而該研究僅僅停留在定性階段，缺乏定量的數據表征。黃大順等[10]采用CBN油石對GH4169進行珩磨試驗，得出珩磨工藝參數對GH4169珩磨材料去除率的影響規律，并在此基礎上對GH4169珩磨工藝參數進行優化，但并未對珩磨的表面粗糙度進行系統研究。

對于珩磨加工表面粗糙度，國內外學者開展了一些研究工作。VRAC等[11]采用金剛石油石對灰鑄鐵的粗、精定壓進給珩磨工藝開展正交試驗，方差分析表明，切削速度對粗珩表面粗糙度影響最大，珩磨壓力對精珩表面粗糙度影響最大，且均呈正相關關系。BUJ-CORRAL等[12-13]采用金屬結合劑CBN油石對St-52鋼進行定壓珩磨試驗，并建立珩磨表面粗糙度的理論模型，在此基礎上得出影響表面粗糙度的主要因素：油石磨粒粒徑、珩磨壓力及磨粒濃度。GOELDEL等[14-15]對定壓珩磨中油石與工件的接觸面建立力學模型，將珩磨過程看作工件表面的磨損過程，從而得到定壓珩磨表面形貌演化的一般模型，并通過珩磨試驗對預測模型的準確性進行了驗證。上述研究均未涉及定量進給珩磨工藝參數對其表面粗糙度的影響。

鎳基高溫合金珩磨過程中，加工硬化嚴重，油石磨損快，切削能力迅速降低。當采用定壓進給珩磨工藝時，油石較快進入光整珩磨階段，材料無法進一步去除，限制了珩磨加工效率[16]。與定壓珩磨不同，定量珩磨通過控制油石的擴脹位置而實現進給[17]，當油石切削能力降低時，持續的進給會增大珩磨壓力，迫使油石自銳，從而繼續去除工件材料，故更適用于鎳基高溫合金的高效精密加工。為探索鎳基高溫合金定量珩磨加工表面粗糙度的一般規律，本文對GH4169定量珩磨工藝開展正交試驗，研究切向珩磨速度、軸向往復速度、油石平均粒徑、每往復進給量等對珩磨表面粗糙度影響的顯著性水平，在此基礎上，對顯著因素開展單因素試驗，探索顯著因素對定量珩磨GH4169表面粗糙度的影響規律。

1 定量進給珩磨表面粗糙度理論模型

定量進給珩磨的進給系統如圖1所示，每個往復行程中，進給脹錐沿軸向進給Δy，推動油石徑向進給Δx。Δx與Δy滿足關系

Δx=Δytanγ

(1)

式中，γ為油石的楔角。

圖1 定量進給珩磨示意圖Fig.1 Schematic diagram of feed-control honing

將工件沿圓周方向展開，得到圖2所示的模型。穩定珩磨階段，每個往復行程中，工件表面去除Δx厚度的材料，則一個往復去除材料體積為

V=πDlΔx

(2)

式中，D為孔徑；l為孔長。

圖2 定量進給珩磨展開圖Fig.2 Unfolded drawing of feed-control honing

在珩磨頭的一個往復行程中，油石表面單顆有效磨刃在工件表面的切削路程為

S=2l/sinα

(3)

tanα=va/vs

(4)

式中，α為網紋角；va為軸向往復速度；vs為切向珩磨速度。

(5)

式中，Nd為動態有效磨刃數。

結合式(2)、式(3)、式(5)可得

(6)

(7)

其中，Rfactor為量綱一的比例常數。與磨削加工的不同之處在于，珩磨加工表面切削溝槽與粗糙度測量方向并非垂直，這會對表面粗糙度造成影響。圖3為粗糙度測量截面展開示意圖。磨粒錐角θ滿足

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tanθ=a/(2h)

(8)

其中，h為殘留高度。測量截面上，磨粒切削溝槽錐角θ′滿足

tanθ′=b/(2h)

(9)

b=a/cosα

(10)

由式(8)～式(10)可得

tanθ′=tanθ/cosα

(11)

易知，隨著tanθ′增大，殘留高度減小，表面粗糙度降低。

圖3 粗糙度測量截面展開示意圖Fig.3 Unfolded drawing

由上述分析可以看出，定量進給珩磨表面粗糙度主要受單顆磨粒平均切厚與溝槽錐角影響。因此，可將珩磨表面粗糙度表示為

(12)

2 試驗條件及方法

試驗在蘇州信能精密機械有限公司生產的MB4250型高精度數控立式珩磨機上開展，機床主軸功率1.5 kW。試驗平臺如圖4所示，工件為圓柱形，底孔預鏜至(9.95±0.005)mm，孔長20 mm，浮動裝夾在搖籃夾具中。工件材料為鎳基鍛造高溫合金GH4169，其力學性能見表1，金相組織見圖5。試驗采用金屬結合劑B30油石，磨粒濃度為40%，油石長30 mm，楔角2.5°，油石表面形貌如圖6所示。珩磨過程中，采用CASTROL Honilo 980E珩磨油進行冷卻潤滑。

圖4 珩磨加工試驗平臺Fig.4 Experimental setup

指標數值抗拉強度(GPa)1.580.2%屈服強度(GPa)1.20導熱系數(W/℃)10.63硬度(HRC)37～47

圖5 GH4169金相組織Fig.5 Metallographic structure of GH4169

圖6 B30油石表面形貌Fig.6 Surface topography of oilstone of B30

試驗中，珩磨頭的行程為10 mm，上下越程量均為10 mm，具體試驗參數見表2，每次試驗均進行100個往復行程。本試驗共考慮4個因素，每個因素取四水平，指標為表面粗糙度。不考慮因素之間的交互作用，選取L16(45)正交表，設計并開展正交實驗。采用時代TR200表面粗糙度儀對珩后孔表面粗糙度進行測量，取樣長度為0.8 mm，評定長度4 mm，均勻測量十個位置，取平均值。對試驗結果進行方差分析，研究上述因素對表面粗糙度影響的顯著性水平。選取顯著因素，開展單因素試驗。將珩后孔切開，在DM-KH7700三維視頻顯微鏡上對其表面形貌進行觀察。

表2 珩磨試驗參數Tab.2 Experimental parameters

3 結果分析討論

3.1 顯著性分析

正交試驗結果和方差分析結果分別見表3、表4。可以看出，油石平均粒徑對表面粗糙度影響最為顯著，置信水平為99.5%，其次為每往復進給量，置信水平為95%，而切向珩磨速度與軸向往復速度對表面粗糙度影響不顯著。

表3 正交試驗結果Tab.3 Results of orthogonal experiments

表4 珩磨參數對表面粗糙度影響的顯著性水平Tab.4 Significance level of honing parameters on surface roughness

其中，F0.005(3,3)=29.46，F0.05(3,3)=9.28。

磨粒平均粒徑影響動態有效磨刃數Nd，故由式(12)易知，磨粒粒徑與每往復進給量為影響表面粗糙度的顯著因素。切向珩磨速度、軸向往復速度對表面粗糙度的影響主要體現為網紋角α的改變，增大網紋角α，單顆磨粒平均切厚隨之增大，但與此同時，f(α)減小。因此，在試驗所選參數范圍內，切向珩磨速度與軸向往復速度對定量進給珩磨表面粗糙度的影響并不顯著。

3.2 油石平均粒徑對表面粗糙度的影響

vs=14 m/min，va=4.38 m/min，Δx=0.35 μm時，油石平均粒徑對表面粗糙度的影響如表5所示。采用B7油石進行珩磨，已加工表面粗糙度Ra為0.146 μm，當油石粒徑增大至B107時，表面粗糙度Ra增大至0.820 μm。這是由于增大磨粒平均粒徑后，在油石磨粒濃度不變的情況下，單位體積油石內所含的磨粒減少，動態有效磨刃數降低，單顆磨粒切厚增大，進而導致表面粗糙度增大。從圖7可以看出，在其他珩磨參數一致的情況下，B107油石的單顆磨粒平均切厚大于B54油石，故在工件表面產生更寬的切削溝槽。

表5 油石平均粒徑對表面粗糙的影響Tab.5 Influence of grain size on surface roughness

圖7 不同油石粒徑下的珩磨表面形貌Fig.7 Honed surface topography under different grain size

3.3 每往復進給量對表面粗糙度的影響

表6所示為vs=14 m/min，va=4.38 m/min，gs=107 μm時，每往復進給量對表面粗糙度的影響。從表6可以看出，當每往復進給量從0.09 μm增大至0.44 μm，表面粗糙度Ra從0.455 μm增大至0.871 μm，繼續增大每往復進給量，表面粗糙度增加趨于平緩。

表6 每往復進給量對表面粗糙的影響Tab.6 Influence of feed per stroke on surface roughness

假設油石充分混料均勻，且磨粒在油石中呈均勻隨機分布。在其他參數不變的情況下，增大每往復進給量Δx，每個往復行程中所去除的材料體積增大，油石表面靜態有效磨刃數增加。從圖8可以看出，在珩磨加工過程中，若磨刃A的切削軌跡與前一顆磨刃B的軌跡重疊，則磨刃A為無效磨刃，且磨刃A有效的條件是面積S內沒有一顆磨刃切過，故越接近工件表層的磨粒，無效的概率越大。這就削弱了動態有效磨刃數的增加，導致單顆磨粒平均切厚增大，增大了已加工表面粗糙度。繼續增大每往復進給量，動態有效磨刃數趨于穩定，表面粗糙度與每往復進給量的平方根成正比。從圖9可以看出，其他參數相同的情況下，增大每往復進給量，由于單顆磨粒平均切厚的增大，珩磨加工表面的切削溝槽寬度增大。

(a)珩磨表面展開圖

(b)剖面圖圖8 有效磨刃分析示意圖Fig.8 Analysis of effective grinding edges

圖9 不同每往復進給量下的珩磨表面形貌對比Fig.9 Honed surface topography under different feed per stroke

4 結語

定量進給珩磨GH4169試驗結果表明，切向珩磨速度和軸向往復速度對表面粗糙度影響不顯著，油石平均粒徑及每往復進給量對表面粗糙度影響顯著，其顯著性水平分別為99.5%及95%。

在vs=14 m/min，va=4.38 m/min，Δx=0.35 μm條件下，當油石粒徑從B107減小至B7時，定量珩磨表面粗糙度Ra從0.820 μm近乎線性減小至0.146 μm；vs=14 m/min，va=4.38 m/min，gs=107 μm時，當每往復進給量從0.44 μm減小至0.09 μm時，表面粗糙度Ra從0.871 μm減小至0.455 μm；表面粗糙度改善的同時，珩磨表面的切削溝槽寬度減小。

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(編輯 張 洋)

Study on Surface Roughness of Nickel-based Supperalloy during Honing

GAO Shaowu1YANG Changyong1, 2XU Jiuhua1FU Yucan1ZHOU Xiaowei3YAN Wen3ZUO Peng4

1.College of Mechanic and Electric Engineering，Nanjing University of Astronautics and Aeronautics,Nanjing, 210016 2.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Numerical Control Technology，Nanjing Institute of Technology,Nanjing,211167 3.Xi’an Aero-Engine(Group) Ltd.,Xi’an,710021 4.Suzhou Xinneng Precise Machinery Co.，Ltd.,Suzhou,Jiangsu，215223

To explore the honing processes of nickel-based supperalloy and achieve the high efficient machining of nickel-based supperalloy precision bores, feed-controlled honing tests of GH4169 were conducted. Then the surface roughness after honing was analyzed. The results show that, grain size and feed per stroke are significant factors affecting the surface roughness at 95% and 99.5% confidence level, but tangential speed and axial speed are not significant. Reducing grain size and feed per stroke, the average undeformed chip thickness decreases, resulting in better surface roughness，and narrower scratching grooves of the honing surface.

honing； grain size； surface roughness； orthogonal experiment； significance

2016-03-17

國家自然科學基金資助項目(51305200)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130805)；江蘇省科技支撐項目(BE2013122)；先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室開放基金資助項目(KXJ201502)

TG58

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.02.015

高紹武，男，1991年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。主要研究方向為難加工材料高效精密加工技術。楊長勇(通信作者)，男，1980年生。南京航空航天大學機電學院副教授。E-mail:yangchy@nuaa.edu.cn。徐九華，男，1964年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。傅玉燦，男，1972年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。周曉衛，男，1980年生。西安航空動力股份有限公司工程師。閆 文，男，1979年生。西安航空動力股份有限公司工程師。左 鵬，男，1976年生。蘇州信能精密機械有限公司工程師。