劉 爽， 李 敏， 丁文鋒， 徐九華

(南京航空航天大學 機電學院, 南京 210016)

鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫強度、熱穩(wěn)定性和抗疲勞特性，被廣泛應用于航空發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機等的核心部件中[1-2]。其中，大型艦船燃氣輪機葉片所用合金不僅要具有較好的抗氧化性，也要具備較強的抗熱腐蝕性能。由于鎳基高溫合金含有大量Cr、Al、Co、W等元素，氧化時會形成Cr2O3和Al2O3等，鎳基合金材料的抗氧化及抗腐蝕性得到提升[3]。近年來，燃氣輪機的性能需求不斷提高，其工作環(huán)境也變得更加惡劣，因而對制造燃氣輪機的材料性能要求也相應提高。K444鎳基高溫合金是我國自主研發(fā)的一種鑄造鎳基高溫合金，主要用作艦船燃氣輪機工作溫度900 ℃時的渦輪葉片材料[4]，其抗熱腐蝕能力優(yōu)于IN738合金的，具有高抗蠕變性、高機械疲勞強度、抗熱疲勞以及優(yōu)異的抗氧化和熱腐蝕性能[5]。

磨削是燃氣輪機鎳基高溫合金構(gòu)件最終成形的重要加工方法[6-7]，其影響零件的加工精度與加工質(zhì)量，從而影響零件的使用壽命及安全性。在進行磨削加工過程中，鎳基高溫合金的低導熱性、高斷裂韌性等特性會導致砂輪劇烈磨損且黏附堵塞嚴重、磨削力與磨削溫度高、工件加工表面質(zhì)量難以保證等問題[8]。鎳基高溫合金在加工過程中還易出現(xiàn)白層、加工硬化及加工表面質(zhì)量差等，這些會進一步影響工件的服役能力。因此，開展K444鎳基高溫合金的磨削性能的研究具有必要的實際應用需求。

近年來，國內(nèi)外對K444鎳基高溫合金的研究較少，特別是對其磨削加工性的研究更是鮮有報道。緩進深切磨削加工是一種材料去除率高、加工精度好的磨削工藝[9-10]。為評價K444的磨削性能，選用適合緩進深切磨削鎳基高溫合金的2種剛玉砂輪對其進行磨削加工。通過對比分析砂輪磨削時的磨削力、磨削比能、砂輪磨損及加工表面質(zhì)量情況，對K444的磨削加工性進行評價，對比分析2種剛玉砂輪的磨削能力；并闡述工件表面缺陷形成差異性的原因。

1 試驗

1.1 試驗條件

試驗磨削對象是K444鑄造鎳基高溫合金，材料成分見表1[4]。工件尺寸為30 mm×5 mm×20 mm。在工業(yè)應用中，剛玉砂輪是磨削加工鎳基高溫合金的主要工具，本試驗采用白剛玉砂輪和棕剛玉砂輪對K444高溫合金進行緩進深切磨削研究。砂輪的磨料粒度代號為F80，實際基本粒徑范圍為160～200 μm，砂輪寬度為20 mm，直徑為φ400 mm。

表1 K444材料元素組成Tab. 1 Composition of K444

磨削試驗均在BLOHM PROFIMAT MT-408高速平面磨床上進行，其主軸最大輸出功率為45 kW，最大轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。每進行1次參數(shù)的磨削試驗后，采用單點金剛石修整器對砂輪進行修整，以保證砂輪表面磨粒的鋒利度，試驗過程中使用水基乳化液進行冷卻。磨削條件及修整參數(shù)見表2，磨削試驗平臺如圖1所示。

表2 磨削及修整條件Tab. 2 Grinding and dressing conditions

圖1 試驗平臺Fig. 1 Experimental platform

1.2 測量方法

圖2為復形法測量砂輪磨損示意圖。磨削力由Kistler9317C型三通道壓電測力傳感器進行測量，X、Y和Z等3個方向的采樣固有頻率分別是5、5和20 kHz，并由Kistler5018A型電荷放大器放大，采集的數(shù)據(jù)在Dyno Ware軟件上進行低通濾波處理，并進行讀取。采用MAHR-M1型表面粗糙度儀對工件表面粗糙度進行測量。用Sensofar S Neox 3D共聚焦顯微鏡觀測工件的磨削表面，采樣長度、寬度分別為600、400 μm，并采集其點云信息在軟件上重構(gòu)。通過石墨對砂輪表面進行復形，用復形法測量砂輪磨損。

圖2 復形法測量砂輪磨損Fig. 2 Measurement of grinding wheel wear by replica method

如圖2所示，在砂輪表面復形一個臺階面，測量出磨損與未磨損表面的高度差h，即砂輪的磨損量。使用HK-7700 3D視頻顯微鏡對砂輪的磨損信息進行表征。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 磨削力與磨削比能

磨削力是評價磨削性能的重要指標之一，影響著磨削熱量的產(chǎn)生，對工件表面粗糙度、表面缺陷的形成、砂輪磨損也有較大的影響。磨削力可由以下公式計算得到：

Fn=FVcosθ-FHsinθ

(1)

Ft=FVsinθ+FHcosθ

(2)

(3)

其中：Fn是法向磨削力，F(xiàn)t是切向磨削力，θ為磨削弧長半角,FV是測量的垂直力，F(xiàn)H是測量的水平力，lc為磨削弧長,ds為砂輪的直徑。

圖3是緩進深切磨削加工的典型磨削力信號圖，其顯示磨削過程有3個階段：砂輪切入?yún)^(qū)域、砂輪穩(wěn)定磨削區(qū)域、砂輪切出區(qū)域。磨削力大小主要取決于磨削穩(wěn)定區(qū)域。

圖3 典型磨削力信號圖Fig. 3 Typical grinding force signal curve

單顆磨粒切削厚度可以表示為[11]：

(4)

式中：agmax為單顆磨粒切削厚度；C為與磨粒鋒利度相關(guān)的系數(shù)，對于磨?；境叽鐬?60～200 μm的砂輪，C可選擇為6.2[11]；ds為砂輪的直徑；Nd是單位面積砂輪的動態(tài)有效磨粒數(shù)。

圖4為使用三維視頻顯微鏡觀測后的砂輪表面形貌圖，測量計算Nd為4.3。

(a)棕剛玉砂輪Brown alumina abrasive wheel(b)白剛玉砂輪White alumina abrasive wheel圖4 砂輪表面形貌圖Fig. 4 Surface morphology of abrasive wheels

磨削力檢測結(jié)果如圖5所示。如圖5a所示：當砂輪線速度從20 m/s提高到35 m/s時，棕剛玉砂輪的單位法向磨削力由50.7 N/mm減小到43.1 N/mm；對于白剛玉砂輪，其單位法向磨削力由58.4 N/mm減小到46.5 N/mm，相應的單位法向磨削力大于棕剛玉砂輪的；棕剛玉砂輪的單位切向磨削力由11.3 N/mm減小到7.5 N/mm，而白剛玉砂輪的單位切向磨削力由14.8 N/mm減小到10.1 N/mm，相應的單位切向磨削力大于棕剛玉砂輪的。從圖5b得出：隨著工件進給速度增大，單位法向磨削力和單位切向磨削力也增大。當砂輪線速度為20 m/s,切深為0.5 mm時，工件進給速度由40 mm/min增大到80 mm/min時，棕剛玉砂輪的單位法向磨削力增大近4 N/mm，白剛玉砂輪的增大近6 N/mm。從式(4)可以得出:工件進給速度與單顆磨粒切削厚度呈正相關(guān)，這使得單顆磨粒切削厚度增大，工件的材料去除率增大，切削厚度的增大會使砂輪與工件的摩擦更劇烈，磨削力會增大。此外，如圖5c所示，隨著切深增大，單位法向磨削力和單位切向磨削力也相應增大。這是由于切深與單顆磨粒切削厚度呈正相關(guān)，而單顆磨粒切削厚度的增大，使磨粒與工件接觸區(qū)域增大，磨粒與工件在接觸區(qū)域發(fā)生劇烈的摩擦、切削作用，導致單顆磨粒磨削力的增大。其次，隨著切深的增大，磨削弧區(qū)參與磨削的動態(tài)有效磨粒數(shù)也增多，從而導致磨削力增大。當切深由0.2 mm增大到1.0 mm時，棕剛玉砂輪單位法向磨削力由22.1 N/mm增大到63.6 N/mm；白剛玉砂輪的單位法向磨削力大于棕剛玉砂輪，當切深為1.0 mm時，白剛玉砂輪的單位法向磨削力為71.2 N/mm，比棕剛玉砂輪大11.95%。

(a)線速度 Linear speed(b)進給速度 Infeed speed(c)切深 Cutting depth圖5 工藝參數(shù)對磨削力的影響規(guī)律Fig. 5 Effect of grinding parameters on grinding force

磨削比能es表示去除單位材料所消耗的能量，可以用來評價材料磨削加工的難易程度，是評價磨削性能的另一個重要指標，可以表示為[12]：

(5)

式中：P為磨削功率，b為磨削區(qū)寬度。

從文獻[12]得知，單顆磨粒切削厚度對磨削比能有重要影響。圖6為磨削比能與單顆磨粒切削厚度的關(guān)系曲線。

圖6 磨削比能與單顆磨粒切削厚度的關(guān)系曲線Fig. 6 Relation curve between grinding specific energyand undeformed cutting thickness of singleabrasive particle

從圖6可知：隨著agmax的增大，棕剛玉砂輪和白剛玉砂輪的磨削比能降低，這種現(xiàn)象是尺寸效應造成的[13]。棕剛玉砂輪的磨削比能在337～563 J/mm3，白剛玉砂輪的磨削比能在430～776 J/mm3，白剛玉砂輪的磨削比能大于棕剛玉砂輪的。GU等[14]對鎳基單晶高溫合金DD6進行緩進深切試驗研究，發(fā)現(xiàn)其磨削比能在80～160 J/mm3。QIAN等[11]對鑄造鎳基高溫合金K4125進行磨削加工研究，發(fā)現(xiàn)其磨削比能在100～240 J/mm3。K444的磨削比能曲線可以由最小二乘法來進行擬合分析，可表示為：

白剛玉：es 白=382.7agmax 白-0.86

(6)

棕剛玉：es 棕=308.5agmax 棕-0.73

(7)

2.2 磨削表面形貌與表面粗糙度

磨削表面形貌是表征磨削加工性能的重要手段，工件表面粗糙度是衡量磨削加工表面完整性的一個重要指標。其不僅影響著零件的配合精度，更影響著零件的疲勞壽命以及耐磨性。采用Sensofar S Neox 3D共聚焦顯微鏡和COXEM EM 30 PLUS掃描電子顯微鏡對工件表面的磨削形貌進行觀測。

圖7和圖8為在加工參數(shù)vs=20 m/s，vw=80 mm/min，ap=0.5 mm時，2種砂輪磨削加工后在掃描電子顯微鏡下K444高溫合金的表面形貌。圖7a顯示，棕剛玉砂輪磨削后工件磨削痕跡細小而均勻，缺陷較少；圖7c顯示，磨粒滑擦引起材料產(chǎn)生溝痕和隆起；圖8a顯示，在低倍率下，材料就已經(jīng)出現(xiàn)明顯材料溝痕與隆起現(xiàn)象；圖8c顯示，白剛玉砂輪磨削后工件表面有寬而深的磨削溝槽和由于材料脫落而出現(xiàn)的坑洞等缺陷。綜上可知，棕剛玉砂輪磨削后的工件表面質(zhì)量比白剛玉砂輪的好。

圖7 棕剛玉砂輪磨削工件SEM形貌Fig. 7 SEM graphs of the machined surfacewith brown alumina abrasive wheel

圖8 白剛玉砂輪磨削工件SEM形貌Fig. 8 SEM graphs of the machined surfacewith white alumina abrasive wheel

圖9為棕剛玉砂輪磨削后工件形貌，圖10為白剛玉砂輪磨削后工件形貌。從圖9a和圖10a中分別截取A-A′溝槽截面和B-B′溝槽截面，如圖9b和圖10b所示。從圖9b可知:棕剛玉砂輪磨削后的工件表面溝槽高度值范圍在-1.5～1.0 μm，這表明棕剛玉砂輪磨削加工K444高溫合金表面粗糙度值較小。從圖10b可知，白剛玉砂輪磨削后的表面溝槽高度值范圍在-4.5～2.0 μm，溝槽高度差約是棕剛玉砂輪的2.6倍。白剛玉砂輪磨削工件的形貌中出現(xiàn)了較深的凹槽，且溝槽高度分布不均勻，區(qū)域S處(指采樣長度200～300 μm的區(qū)域)溝槽高度達到了6 μm。由圖9a可得，棕剛玉砂輪的溝槽高度無較深凹槽，溝槽高度分布類似于P處比較均勻，磨削形貌較好。造成2種工件表面形貌差異性的原因是白剛玉砂輪磨料的硬度高于棕剛玉砂輪磨料的，而磨料的韌性較低，磨粒更易破碎，破碎的磨粒在磨削弧區(qū)對工件表面接觸強度大于棕剛玉砂輪的，更易引起材料表面缺陷的形成。

(a)棕剛玉砂輪磨削工件表面重構(gòu)圖Surface reconstruction of workpiece groundwith brown corundum grinding wheel(b)A-A'截面溝槽示意圖The section profile of the ground surface A-A'圖9 棕剛玉砂輪磨削工件形貌Fig. 9 Ground surface of the machined surfacewith brown alumina abrasive wheel

圖11為工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。如圖11a，隨著砂輪線速度vs的增大，白剛玉砂輪和棕剛玉砂輪磨削加工K444高溫合金的表面粗糙度Ra是降低的。當vs=20 m/s時，白剛玉砂輪磨削工件的表面粗糙度值最大，為0.406 μm；當vs增大到35 m/s時，表面粗糙度Ra減小到0.307 μm。當vs=35 m/s時，棕剛玉砂輪磨削工件的表面粗糙度最小，為0.231 μm，相比于白剛玉砂輪減小約30%。如圖11b，隨著工件進給速度從40 mm/min增加到100 mm/min時，白剛玉砂輪磨削的Ra在0.315～0.469 μm，棕剛玉磨削的表面粗糙度Ra在0.218～0.344 μm。如圖11c，隨著切深的增大，白剛玉砂輪和棕剛玉砂輪磨削加工的表面粗糙度增大，棕剛玉砂輪在ap=1.0 mm時，表面粗糙度為0.455 μm；而白剛玉砂輪在ap=1.0 mm時，表面粗糙度突然增大為0.563 μm，相比于棕剛玉增大近24%，相比于ap=0.2 mm，Ra=0.253時，增大了近123%，具體不同工藝參數(shù)下表面粗糙度值見表3。表面粗糙度與砂輪表面形貌緊密相關(guān)，粗糙度主要取決于磨粒突出砂輪的高度，當磨粒突出高度較高時，實際切深也較大，在磨削后會出現(xiàn)較深的磨削溝槽[15]。

表3 2種剛玉砂輪磨削后工件的表面粗糙度Tab. 3 Surface roughness after grinding with twokinds of alumina abrasive wheels

(a)白剛玉砂輪磨削工件表面重構(gòu)圖Surface reconstruction of workpiece groundwith white corundum grinding wheel(b)B-B'截面溝槽示意圖Section profile of the ground surface B-B'圖10 白剛玉砂輪磨削工件形貌Fig. 10 Ground surface of the machined surfacewith white alumina abrasive wheel

綜上可知：K444高溫合金緩進深切磨削加工的表面粗糙度Ra隨著ap、vw的增大而增大，隨著vs的增大而減??；棕剛玉砂輪磨削K444高溫合金的表面粗糙度總是低于白剛玉砂輪的，且磨削后表面形貌較好，磨削溝槽均勻且細小，更適合加工K444高溫合金。

(a)線速度 Linear speed(b)進給速度 Infeed speed(c)切深 Cutting depth圖11 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig. 11 Effect of grinding parameters on surface roughness

2.3 表面粗糙度敏感度分析

表面粗糙度敏感度分析能反映加工參數(shù)影響表面粗糙度大小的程度。由文獻[13]可知，當砂輪、修整條件、加工環(huán)境一樣時，通過分析表面粗糙度經(jīng)驗公式，棕剛玉砂輪和白剛玉砂輪磨削后工件的表面粗糙度可由式(8)和(9)來表示：

棕剛玉：Ra-棕=0.201vs-0.399vw0.453ap0.471

(8)

白剛玉：Ra-白=0.258vs-0.348vw0.441ap0.487

(9)

可從式(8)和式(9)得出切深、砂輪線速度、進給速度與表面粗糙度之間的相關(guān)性，但只能得出是正相關(guān)或者是負相關(guān)，對表面粗糙度的敏感度不能進行分析。磨削表面粗糙度對切深、砂輪線速度、進給速度的絕對靈敏度計算如下：

(10)

(11)

(12)

表4 磨削表面粗糙度對棕剛玉砂輪和白剛玉砂輪的磨削參數(shù)絕對靈敏度的計算結(jié)果Tab. 4 Calculation results of absolute sensitivity of ground surface roughness to grindingparameters of brown alumina and white alumina abrasive wheels

綜上可知，在進行工藝優(yōu)化的過程中，表面粗糙度對切深最敏感。大切深試驗時切深增大的幅值應該逐漸減小，在小切深試驗時增大的幅值應盡量大一點。隨著切深增大，其2組切深工藝參數(shù)相距的幅值減小，這樣可以更易在磨削試驗過程中觀測出磨削燒傷的情況，以減少試驗材料的浪費。

2.4 砂輪磨損分析

鎳基高溫合金的難加工性易造成加工時砂輪的磨損、堵塞等，從而使砂輪的工作情況惡化，進而影響到工件表面的加工質(zhì)量。試驗通過石墨對磨削后的砂輪進行復形，并以此來計算砂輪的徑向磨損，研究砂輪的徑向磨損與材料去除率關(guān)系。圖12是vs=25 m/s，vw=60 mm/min，ap=0.5 mm時，2種砂輪復形軸向長度和復形徑向長度的關(guān)系，白剛玉砂輪的徑向磨損比棕剛玉砂輪的大，在此參數(shù)下2種砂輪復形徑向長度差約為7 μm。

圖12 砂輪磨損復形軸向長度與徑向長度關(guān)系圖Fig. 12 Relationship between axial and radial length of grindingwheel wear replica

圖13為工藝參數(shù)對單位長度砂輪半徑磨損量的影響，單位長度砂輪半徑磨損量用γ表示。如圖13a，隨著切深的增大，2種砂輪的單位長度砂輪半徑磨損量都明顯增加，當切深由0.2 mm增大到1.0 mm時，白剛玉砂輪單位長度砂輪半徑磨損量由0.047 μm/mm增大到0.066 μm/mm，而棕剛玉砂輪由0.035 μm/mm增大到0.046 μm/mm，白剛玉砂輪單位長度砂輪半徑磨損量比棕剛玉大1.3～1.4倍。當切深ap較大時，由于砂輪與工件發(fā)生劇烈的摩擦和切削作用，法向磨削力和切向磨削力較大，造成砂輪磨損量增大，這不僅會造成砂輪表面磨粒變鈍、磨屑堵塞等，使砂輪處于惡劣的工作表面，也影響著工件表面質(zhì)量。如圖13b，當vw由40 mm/min增大到100 mm/min時，單位長度砂輪半徑磨損量也同樣增大。這是因為工件進給速度的增大，造成磨削力的增大，白剛玉砂輪磨削力大于棕剛玉砂輪，其砂輪磨損量更大。如圖13c，隨著vs增大，2種砂輪的單位長度砂輪半徑磨損量都減小，而白剛玉砂輪單位長度砂輪半徑磨損量是棕剛玉的近1.4倍。這是因為vs增大，單顆磨粒最大未變形切削深度降低，砂輪表面磨粒與工件接觸區(qū)域變小，單位長度砂輪半徑磨損量也減小。

圖14為單位長度砂輪半徑磨損量與材料去除率關(guān)系。如圖14所示:隨著材料去除率的增大，單位長度砂輪半徑磨損量增大。通過指數(shù)函數(shù)對材料去除率和磨損量擬合分析，可由下面函數(shù)來表示：

圖14 單位長度砂輪半徑磨損量與材料去除率關(guān)系Fig. 14 Relationship between radial wear of per unitlength and material removal rate

棕剛玉砂輪：γ棕=0.045RMRR0.239

(13)

白剛玉砂輪：γ白=0.065RMRR0.261

(14)

通過回歸分析，棕剛玉砂輪磨損量與材料去除率的函數(shù)擬合R2為0.97，白剛玉砂輪的R2為0.90，能較好反映兩者的關(guān)系。

由式(13)與(14)可得2種砂輪徑向磨損比，如式(15)所示：

(15)

當RMRR在0.3～1.0 mm3/(mm·s)時，其磨損比在1.36～1.40，最后穩(wěn)定在1.40。隨著材料去除率的增大，其磨損比越大。這表明在磨削加工K444高溫合金時，白剛玉砂輪受材料去除率影響程度大于棕剛玉砂輪的，材料去除率越大，其相比于棕剛玉砂輪更易磨損。

(a)切深 Cutting depth(b)進給速度 Infeed speed(c)線速度 Linear speed圖13 工藝參數(shù)對單位長度砂輪半徑磨損量的影響規(guī)律Fig. 13 Effect of grinding parameters on radial wear of per unit length

通過HK-7700 3D視頻顯微鏡觀測磨削后砂輪的表面形態(tài)，如圖15所示。白剛玉砂輪表面黏附了較多工件材料和磨屑，因而在磨削時對工件表面進行滑擦，會對工件表面造成損傷；同時，發(fā)現(xiàn)砂輪表面出現(xiàn)磨屑堵塞氣孔的現(xiàn)象，這會使磨削液難以充分進入磨削弧區(qū)，使冷卻環(huán)境難以保證；另外，白剛玉砂輪表面有材料黏附現(xiàn)象。而棕剛玉砂輪表面也有磨屑堵塞、黏附現(xiàn)象，材料黏附會使磨粒失去切削作用，這是造成磨粒斷裂和脫落的原因之一，也是磨削K444高溫合金磨削力大、磨削比能高的原因之一。

(a)白剛玉砂輪White alumina abrasive wheel(b)棕剛玉砂輪Brown alumina abrasive wheel圖15 棕剛玉砂輪與白剛玉砂輪磨削后表面形貌Fig. 15 Surface morphology after grinding with brownalumina and white alumina abrasive wheels

3 結(jié)論

采用棕剛玉砂輪和白剛玉砂輪對K444高溫合金進行緩進深切磨削試驗，通過對比磨削力、磨削比能、表面粗糙度、砂輪磨損分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)使用剛玉砂輪緩進深切磨削加工K444高溫合金，棕剛玉砂輪的磨削比能在337～563 J/mm3，白剛玉砂輪的磨削比能在430～776 J/mm3，白剛玉砂輪的磨削比能大于棕剛玉砂輪的。

(2)棕剛玉砂輪磨削加工K444高溫合金的表面粗糙度在0.206～0.455 μm，而白剛玉砂輪的表面粗糙度在0.253～0.563 μm，棕剛玉砂輪磨削加工K444高溫合金的表面粗糙度低于白剛玉砂輪加工后的表面粗糙度；棕剛玉砂輪磨削加工后工件的磨削形貌比白剛玉好，無較深的凹槽及明顯缺陷。

(3)棕剛玉砂輪和白剛玉砂輪磨削K444高溫合金的表面粗糙度對切深最敏感，其次是進給速度，對砂輪線速度敏感性最小。白剛玉砂輪對切深、砂輪線速度和進給速度的敏感度大于棕剛玉砂輪的。

(4)棕剛玉砂輪和白剛玉砂輪緩進深切磨削K444高溫合金后，砂輪表面均出現(xiàn)磨屑堵塞及黏附現(xiàn)象，且白剛玉砂輪單位長度半徑磨損量是棕剛玉砂輪的近1.4倍。

綜上，棕剛玉砂輪磨削加工K444高溫合金材料性能更優(yōu)。