高速磨削Inconel718單顆PCBN磨粒磨損研究*

程 強，梁國星，郝建宇，張 宇

(太原理工大學 機械與運載工程學院 山西 太原 030024)

0 引 言

由于具有較高的熱強度、熱穩定性以及良好的耐腐蝕性能，高溫鎳基合金在航空發動機、燃燒室、燃氣輪機等領域被廣泛應用[1-3]。高溫鎳基合金和鈦合金一樣，在磨削加工時磨削區磨削比能較大[4]、溫度較高，會造成材料的軟化以及砂輪表面磨屑的粘附，屬于難加工材料[5]。

磨削加工[6]在精密加工領域有著重要的地位,其原理是利用工件與砂輪磨粒的相互作用以去除材料[7]。磨削過程參與磨粒數量較多，形狀、尺寸分布隨機，為研究材料去除機理帶來了一定的困難[8]。

單顆磨粒磨削方法被廣泛應用于研究材料去除機理。余劍武等[9]利用單顆磨粒磨削實驗，研究磨削速度對工件材料去除的影響，研究發現，提高磨削速度有利于提高材料去除成屑階段，降低磨痕兩側堆積率。沈平華等[10]對GH4169進行了單顆金剛石高速磨削實驗，研究發現，磨削力隨切削速度的增大而減小，高速有利于高溫鎳基合金磨削加工。WANG等人[11]通過有限元對單顆CBN磨粒高速磨削Inconel718高溫鎳基合金條件下的磨損演化進行了研究，結果表明在切削刃附近出現微裂紋，并由微裂紋擴展形成宏觀斷裂，拉應力是造成CBN顆粒磨損的主要因素。RAO等人[12]分別用PCBN和CBN進行單顆磨粒磨削實驗研究，發現采用PCBN磨粒獲得的磨痕粗糙度值更高，PCBN磨粒比CBN磨粒磨痕更容易發生銳化，PCBN磨粒去除材料能力更強。

Inconel718鎳基合金[13]具有良好的性能而被廣泛地應用，但其難加工性限制了它的發展。為此，筆者將鎳基高溫合金Inconel 718作為對象，采用形狀規則的PCBN顆粒進行單顆磨粒試驗研究。

1 磨削試驗

試驗選用Inconel718作為樣件材料樣件，試驗前進行打磨拋光處理，粗糙度為0.4 μm，初始硬度為34 HRC。

Inconel718合金化學成分如表1所示。

表1 Inconel718合金化學成分(質量分數/%)

筆者采用MV-40數控立式加工中心對Inconel718進行單顆磨粒高速磨削試驗；將PCBN磨粒通過釬焊的方式固定在直徑為400 mm的砂輪盤上。

試驗裝置及單顆PCBN磨粒如圖所示。

圖1 試驗裝置單顆PCBN磨粒1-進給方向；2-單顆PCBN磨粒砂輪盤；3-PCBN磨粒；4-試驗樣件；5-測力儀

圖1中，試驗樣件通過試驗專用夾具連接在Kistler9119AA2型測力儀上；用無水乙醇清洗磨削后的樣件及PCBN磨粒，清除表面附著污物，用超景深顯微鏡觀察記錄磨粒磨損情況，使用SM-1000三維光學輪廓儀觀察樣件材料堆積率以及磨痕三維形貌。

磨削試驗參數如表2所示。

表2 磨削試驗參數

2 結果與分析

2.1 單顆磨粒磨削Inconel718磨削力

不同磨削深度下，磨削力隨切削次數變化的對比曲線如圖2所示。

由圖2可以看到，前期法向力和切向力隨切削次數的增加逐漸增大，這是由于磨粒尖端和切削刃被磨平鈍化，磨粒對材料切削作用減弱，切削過程由切削轉為磨粒前端對材料的擠壓，材料在磨粒前端堆積以及沿磨粒側面流動摩擦作用增強；隨著磨削次數的進一步增加，磨削力出現上下波動，這是由于磨粒鈍化后導致磨削力增大，磨削力的增大會加劇磨粒尖端破碎形成的微觀鈍化和銳化循環；當切削次數繼續增加時，磨削力有明顯下降，可以解釋為磨粒微破碎沿切削刃附近擴展形成了新的切削刃；不同磨削深度條件下，磨削力變化趨勢大致相同，磨削深度越大磨削力中期波動拐點和后期下降拐點出現越早。

磨削力比Fn/Ft與被磨材料物理和機械性能和磨粒磨損情況有關。不同磨削深度條件下，磨削力比隨切削次數變化的對比曲線，如圖3所示。

圖3中，磨削力比Fn/Ft隨切削次數的增加而波動，在切削次數達到13次時降到最低1.17，之后隨著切削次數的增加波動增長，當切削次數達到43次時磨削力比Fn/Ft達到了最大1.72，隨后開始下降；當磨削深度為15 μm時，磨削力比前期波動拐點和最大點出現晚于20 μm；磨削深度為25 μm時，磨削力比前期波動拐點和最大點出現早于20 μm；磨削力比Fn/Ft的下降可以解釋為磨粒銳度提高，PCBN材料固有的自銳特性會在磨削過程中發生破碎，形成新的切削刃。

圖2 磨削力隨切削次數變化曲線

圖3 磨削力比隨切削次數的變化

2.2 磨粒磨損

不同次數后，磨粒磨削高溫鎳基合金的超景深圖片如圖4所示。

圖4 PCBN磨粒不同磨削次數后表面形貌圖

圖4中，磨粒未切削材料時磨粒表面磨粒尖端完整，切削刃鋒利；經過15次切削后，磨粒尖端前部和后刀面有微破碎剝落,尖端有磨屑粘附，切削刃附近有裂紋出現；當切削次數達到46次后，磨粒尖端附近裂紋擴展導致破碎增大，表現為磨粒尖端被磨平，磨粒尖端磨平變鈍導致磨粒受到工件材料擠壓作用增強，受磨粒與工件接觸應力和切削溫度影響，磨粒表面裂紋沿切削刃擴展；當切削次數達到61次時，磨粒切削刃附近微裂紋的擴展直接導致宏觀破碎并形成新的切削刃。

由此可見，磨粒磨損主要發生在磨粒尖端及切削刃附近。磨粒磨損可以分為兩個階段：(1)初期磨損，主要為磨粒尖端上部及后刀面發生微破碎，切削刃附近有微裂紋出現，并在磨粒尖端有磨屑粘附，磨屑粘附導致了磨粒出現摩擦磨損，磨粒表面裂紋的擴展會進一步擴大，磨粒尖端破碎面積表現為尖端磨平；(2)穩定磨損，磨粒尖端出現磨平磨損后與工件接觸面積增大，前端受到接觸壓力增大，磨粒表面裂紋沿切削刃擴張形成宏觀破碎出現新的切削刃。

2.3 橫截面輪廓

通過SM-1000掃描單顆粒磨削磨痕，可以獲得磨痕三維形貌信息，如圖5所示。

圖5 磨痕三維形貌圖

該試驗采用磨粒為棱錐型，劃痕呈梭形輪廓，由于劃擦軌跡是圓弧狀，磨痕深度和寬度先增大后減小，磨粒切入端和切出端劃痕深度小于劃痕中部。

圖5中，磨粒與材料剛開始接觸為滑擦階段，材料發生輕微塑性變形；材料堆積在磨粒前端未形成磨屑；隨著磨粒的切入，進入犁耕階段，在磨痕兩邊開始出現材料堆積；在磨痕切出端由于磨粒前端對材料擠壓作用增強，材料堆積達到了最大。

磨痕橫截面變化圖如圖6所示。

圖6 磨痕橫截面變化圖

通過分析磨痕三維形貌圖，可以獲得磨痕橫截面堆積面積和磨痕溝槽信息，磨痕溝槽輪廓反應了磨粒輪廓變化。

圖6中給出了磨痕橫截面輪廓信息，磨粒未磨損時磨粒尖端完整切削刃鋒利，磨痕溝槽形狀呈頭部較尖的v字形形態；隨著磨削次數的增加，磨痕橫截面輪廓底部出現不規則變化，這是由于磨粒尖端受到材料擠壓出現破碎；隨著磨削次數繼續增加，磨粒磨損加劇，表現為磨痕底部扁平，這是由于磨粒尖部微破裂增大，磨粒表現為尖端磨平磨損；隨著磨削次數進一步增加，磨痕橫截面兩邊與底部連接處向弧狀轉變，且磨痕兩邊堆積面積減小，這是由于磨粒切削刃發生斷裂磨粒，磨粒尖端磨平消失，磨粒重新銳化。

磨痕橫截面輪廓信息反映出的磨粒形貌變化與上節試驗測得的磨粒形貌變化基本一致。

?P?Z[13]介紹了材料堆積率，可以定義為總堆積面積與劃痕橫截面面積之比，可以用于量化材料去除率[14]，即：

RS=(S1+S2)/S

(1)

式中：Rs—堆積率；S—磨痕溝槽橫截面面積；S1，S2—磨痕兩邊堆積面積。

在磨削速度vs=65 m/s、磨削深度ap=20 μm條件下，磨痕堆積率沿磨削方向的變化如圖7所示。

圖7 磨痕堆積率

由圖7可知：在磨粒與工件剛接觸時，磨粒與工件主要是彈性滑擦作用，工件材料堆積在磨粒前端面，并向兩側流動，因此，磨粒在切入階段材料堆積率逐漸上升達到37%。隨著磨粒繼續切入，磨粒前端材料堆積達到臨界值，工件材料開始以切屑形式被去除，磨痕兩邊材料堆積出現減小趨勢。在磨粒與工件最后接觸階段，材料堆積率迅速增大，這是由于材料受到磨粒劇烈擠壓作用，材料開始向磨痕兩側流動形成大量材料堆積達到了133%。

在磨削速度vs=65 m/s、切削深度ap=20 μm時，磨粒經過不同劃擦次數后，工件材料堆積率變化規律如圖8所示。

圖8 堆積率隨切削次數變化

由圖8可以看出：

磨粒未出現磨損時工件材料堆積率為22%，此時磨粒切削刃鋒利，材料大多以切屑的形式被去除；隨著劃擦次數的增加，磨粒出現磨損變鈍導致材料堆積率逐漸升高達到60%；當劃擦繼續增加達到46次時，可以看到材料堆積率開始下降；劃擦次數為61次時，材料堆積率最低達到45%左右，這是由于磨粒磨損變鈍磨粒前端受到接觸壓力增大,磨粒表面微裂紋繼續擴展形成宏觀破碎出現新的切削刃，從而進一步降低了材料堆積率。

3 結束語

(1)單顆PCBN磨粒高速磨削Inconel718磨削力比Fn/Ft在磨削過程中先增加后減小，磨削力比Fn/Ft的增加與磨粒發生磨損鈍化有關，磨粒破碎發生銳化可以在一定程度降低磨削力比Fn/Ft；磨削深度增加，磨削力比拐點提前；

(2)磨粒磨損分為兩個階段，第一階段表現為磨粒尖端發生材料粘附和破碎導致磨粒尖部被磨平，切削刃附近出現微裂紋；第二階段PCBN磨粒切削刃附近微裂紋擴展形成宏觀破碎出現新的切削刃；

(3)磨削加工過程中，材料堆積率隨磨削次數的增加上下波動大致呈上升趨勢，前期材料堆積率由20%逐漸增加到62%，隨后下降達到46%。