黃新春， 史愷寧

(1.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院， 西安 710072； 2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 西安 710072)

高溫合金以優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。磨削高溫合金時，砂輪磨粒的磨耗磨損和黏附堵塞較嚴(yán)重，而且磨削比低，這些都不利于獲得好的表面粗糙度，影響高溫合金構(gòu)件的加工表面完整性，從而影響了服役使用性能[1-2]。表面完整性是材料加工中很重要的評價指標(biāo)，其對構(gòu)件的耐磨性能、疲勞性能和應(yīng)力腐蝕性能等有決定作用。針對高溫合金磨削加工，須嚴(yán)格控制其表面完整性。

目前，中外學(xué)者對高溫合金磨削加工表面完整性進(jìn)行了大量的研究。王棟等[3]采用外圓磨削18CrNiMo7-6 單因素試驗探究磨削參數(shù)對磨削表面完整性的影響，并針對單顆磨粒磨削進(jìn)行了仿真殘余應(yīng)力的研究。羅學(xué)昆等[4]以FGH95 合金材料為研究對象，研究了不同的復(fù)合工藝對其表面完整性的差異，并開展表面完整性對高溫疲勞性能的影響規(guī)律研究。Miao等[5]對比研究了棕剛玉和微晶剛玉砂輪的磨損行為，及其對不同鎳基高溫合金緩進(jìn)給磨削表面質(zhì)量的影響。GH4169在加工制造過程中出現(xiàn)的切削力大，加工硬化嚴(yán)重等缺點，會對加工表面形貌產(chǎn)生影響，而加工表面形貌與零件的使用性能具有密切聯(lián)系[6]。武鑫磊等[7]研究了不同工藝參數(shù)對加工鎳基高溫合金GH4169的材料去除率、電極相對損耗率、加工誤差等工藝性能的影響關(guān)系，揭示了工件加工表面的微觀結(jié)構(gòu)特性。劉均偉[8]分別使用陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具，探究了高速切削鎳基高溫合金Inconel718過程中切削速度、切削深度和進(jìn)給量對加工效果的影響。張曦等[9]研究了陶瓷CBN砂輪與釬焊CBN砂輪磨削加工FGH96材料的性能，探討了磨削參數(shù)對磨削力、磨削溫度、砂輪磨損及表面粗糙度的影響規(guī)律。徐汝鋒等[10]研究了高溫合金磨削表層殘余應(yīng)力對疲勞性能的影響。

高溫合金的磨削表面完整性對其抗疲勞性能有較大影響，研究其表面完整性的控制能夠優(yōu)選出較好疲勞性能的磨削工藝參數(shù)，從而更有效地控制表面完整性和疲勞性能[11-12]。盛曉敏等[13]研究了高速/超高速磨削高溫合金等難加工材料的磨削參數(shù)對表面特征的影響。牛秋林等[14]分析了表面完整性對零件抗疲勞性能影響機(jī)理的進(jìn)展和加工表面完整性的抗疲勞機(jī)理研究中亟待解決的問題及發(fā)展趨勢。

現(xiàn)以高溫合金GH4169DA為研究對象，采用正交實驗法，針對磨削參數(shù)對磨削表面完整性特征中的表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和表面顯微硬度的影響靈敏度進(jìn)行分析，并采用文獻(xiàn)[14]中的工藝參數(shù)區(qū)間靈敏度分析和區(qū)間優(yōu)選方法，獲得高溫合金GH4169DA磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。通過與直觀分析法結(jié)合，實現(xiàn)對磨削用量進(jìn)行更好控制，為高溫合金磨削表面完整性加工提供參數(shù)選擇依據(jù)。

1 表面完整性控制工藝域概念和優(yōu)化方法

表面完整性就是指控制加工工藝方法造成的無損傷或強(qiáng)化的表面狀態(tài)，是加工過程中構(gòu)件材料表層產(chǎn)生的各種改變及其對構(gòu)件服役性能影響的總描述。表面完整性的評價指標(biāo)如圖1所示。

主要分析表面粗糙度Ra、表面形貌、表面殘余應(yīng)力σ、表面顯微硬度H。表面完整性控制工藝域是指能夠獲得較好的表面完整性特征指標(biāo)的加工工藝參數(shù)域，其優(yōu)化方法如圖2所示，D為系數(shù)，工藝參數(shù)包括工件速度vw、刀具進(jìn)給ap、刀具速度vs、進(jìn)給量af。

圖1 表面完整性示意圖Fig.1 The schematic of surface integrity

圖2 表面完整性控制工藝域優(yōu)化方法Fig.2 The optimization methods of surface integrity control technology region

(1)在確定的砂輪特性參數(shù)(材料W和粒度N等)條件下，選擇磨削工藝參數(shù)初始工藝域C1。

(2)在工藝域C1內(nèi)構(gòu)建正交試驗工藝組合，進(jìn)行正交試驗，測試對應(yīng)表面完整特征，通過回歸分析構(gòu)建表面完整性特征關(guān)于磨削工藝參數(shù)的經(jīng)驗映射模型。

(3)采用靈敏度分析的方法，通過對經(jīng)驗映射模型分析獲得表面完整性特征關(guān)于磨削工藝參數(shù)的影響關(guān)系，利用穩(wěn)定域的判定原則最終獲得表面完整性控制工藝域C。

2 高溫合金GH4169DA磨削實驗

2.1 試驗材料

試件材料為GH4169DA鍛造鎳基高溫合金，屬Ni-Cr-Fe基時效硬化型合金，熱處理工藝為：鍛后水冷+720 ℃×8 h/以50 ℃/h爐冷到620 ℃×8 h空冷，成分特點是Nb含量較高，含較多的Cr和Fe，含少量的Al、Ti，以形成γ′相和γ″相，主要化學(xué)成分組成如表1所示。

表1 GH4169DA高溫合金的化學(xué)成分

2.2 試驗條件及試驗過程

試件采用圓棒試件，直徑30 mm，長100 mm。實驗所用機(jī)床為MMB1420外圓磨床；砂輪采用SA80KV單晶剛玉砂輪；磨削方式為順磨，采用乳化液冷卻。采用三因素四水平正交試驗法，研究磨削參數(shù)(工件速度vw、徑向進(jìn)給ap、砂輪速度vs)對表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和表面顯微硬度的影響，其磨削參數(shù)選擇如表2所示，磨削過程如圖3所示。

表2 磨削實驗方案

圖3 磨削過程示意圖Fig.3 Grinding process diagram

表面粗糙度的測試采用接觸式TR240表面粗糙度儀，在磨削表面沿垂直進(jìn)給方向等距選取5個點，取樣長度0.8 mm，評定長度4.0 mm，測量每點表面粗糙度Ra值并求取平均值。表面顯微硬度采用MHT-4顯微硬度測試計，試驗力為200g(g為重力加速度)，載荷保持時間10 s。采用XStress3000 X射線應(yīng)力分析儀測試表面殘余應(yīng)力。

2.3 試驗結(jié)果

表3為表面粗糙度Ra、表面顯微硬度HV和表面殘余應(yīng)力σr的測量結(jié)果。

表3 表面特征測量結(jié)果

3 磨削表面特征工藝參數(shù)區(qū)間敏感性分析

通過回歸分析，建立表面特征的經(jīng)驗公式，分析磨削表面特征工藝參數(shù)的靈敏度，獲得磨削表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力與磨削工藝參數(shù)的靈敏度關(guān)系，計算敏感的工藝參數(shù)靈敏度，得到使表面特征變化平緩的工藝參數(shù)區(qū)間敏感性范圍；在此基礎(chǔ)上通過直觀分析，得到磨削參數(shù)對表面粗糙度Ra、表面顯微硬度HV和表面殘余應(yīng)力σr的影響規(guī)律。

3.1 表面特征經(jīng)驗公式的建立及相對靈敏度分析

對表2和表3中的磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)和表面特征測試數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸分析方法進(jìn)行擬合，建立的表面粗糙度經(jīng)驗公式為

(1)

根據(jù)相對靈敏度S′的定義，相對靈敏度為指數(shù)型經(jīng)驗公式各變量的指數(shù)，可以計算出表面特征對各磨削參數(shù)的相對靈敏度分別為

(2)

3.2 表面特征對磨削工藝參數(shù)絕對靈敏度分析

表面粗糙度對工件速度、徑向進(jìn)給、砂輪速度的絕對靈敏度S模型如式(3)所示；表面顯微硬度對工件速度、徑向進(jìn)給、砂輪速度的絕對靈敏度模型如式(4)所示；表面殘余應(yīng)力對工件速度、徑向進(jìn)給、砂輪速度的絕對靈敏度模型如式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由相對靈敏度分析可知，在GH4169DA進(jìn)行外圓磨削時，表面粗糙度相對工件速度的變化最為敏感，表面顯微硬度相對砂輪速度的變化最為敏感，表面殘余應(yīng)力相對工件速度的變化最為敏感，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)需要對于工件速度和砂輪速度進(jìn)一步優(yōu)化選擇。

3.3 磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域

根據(jù)磨削表面特征對工件速度、徑向進(jìn)給、砂輪速度的絕對靈敏度模型，獲得實驗參數(shù)范圍內(nèi)工件速度、磨削深度、砂輪速度的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域，如表4所示。

表4 磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域

3.4 磨削參數(shù)區(qū)間優(yōu)選

通過對正交試驗的磨削表面特征測試結(jié)果經(jīng)過正交實驗直觀分析，可以得到圖4所示的不同磨削工藝參數(shù)對表面特征的影響曲線。由圖4可以確定工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域中表面特征的變化范圍和趨勢。

圖4 磨削參數(shù)對表面特征的影響曲線Fig.4 Effect of grinding parameters on surface characteristics

由于采用外圓磨的方式，磨削時砂輪與工件作用面較小，磨削液能夠充分冷卻，磨削力和磨削溫度的作用時間較短，其對表層冷作硬化作用不十分明顯，所以表面顯微硬度變化不大，同時由于磨削過程中由擠光效應(yīng)作用產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力多于熱塑性變形作用產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，故表面為殘余壓應(yīng)力。

由圖4(a)可知，隨著工件速度vw的增加，表面粗糙度越來越小，其變化基本呈下降趨勢，工件速度非穩(wěn)定域表面粗糙度大于265 nm，穩(wěn)定域表面粗糙度在237～265 nm；表面顯微硬度變化較小，工件速度非穩(wěn)定域和穩(wěn)定域表面顯微硬度在495～515 HV；表面殘余壓應(yīng)力先增大后減小的變化趨勢，工件速度非穩(wěn)定域表面殘余壓應(yīng)力低于321 MPa，穩(wěn)定域內(nèi)表面殘余壓應(yīng)力在321～424 MPa。

由圖4(b)可知，隨著磨削徑向進(jìn)給ap的增加，表面粗糙度越來越大，徑向進(jìn)給非穩(wěn)定域表面粗糙度低于253 nm，穩(wěn)定域表面粗糙度在253～268 nm；表面顯微硬度變化不太明顯，徑向進(jìn)給非穩(wěn)定域和穩(wěn)定域表面顯微硬度在492～517 HV；表面殘余壓應(yīng)力先減小后增大的變化趨勢，徑向進(jìn)給非穩(wěn)定域表面殘余壓應(yīng)力高于376 MPa，穩(wěn)定域內(nèi)表面殘余壓應(yīng)力在246～392 MPa。

由圖4(c)可知，隨著砂輪速度vs的增加，表面粗糙度的變化趨勢是先減小后增大，砂輪速度非穩(wěn)定域表面粗糙度高于243 nm，穩(wěn)定域表面粗糙度在240～279 nm；表面顯微硬度變化不太明顯，砂輪速度非穩(wěn)定域和穩(wěn)定域表面顯微硬度在490～523 HV；表面殘余壓應(yīng)力呈增大趨勢，砂輪速度非穩(wěn)定域表面殘余壓應(yīng)力低于336 MPa，穩(wěn)定域內(nèi)表面殘余壓應(yīng)力在336～380 MPa。

最后，為了得到穩(wěn)定的磨削表面質(zhì)量，選擇的GH4169DA磨削參數(shù)區(qū)間如表5所示，該區(qū)間范圍可保障較穩(wěn)定的表面粗糙度和表面顯微硬度、較大的表面殘余壓應(yīng)力。在進(jìn)行磨削參數(shù)的優(yōu)選時，不僅要考慮其是否在穩(wěn)定區(qū)間，同時還要兼顧磨削表面特征的要求，以及磨削參數(shù)對于磨削表面特征的靈敏程度。在實際加工中還要考慮加工工序的要求，在下述范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)選或者根據(jù)規(guī)律的趨勢進(jìn)行選擇。

3.5 優(yōu)選磨削工藝參數(shù)驗證

采用上述優(yōu)選的磨削工藝參數(shù)進(jìn)行磨削實驗，采用白光干涉儀測定磨削表面三維輪廓如圖5所示，其粗糙度Ra為230 nm，最大波峰高為0.94 μm，最大波谷為1.03 μm；采用SEM測量表面形貌如圖6(a)、圖6(b)所示，磨削表面紋理清晰平整，沒有出現(xiàn)明顯的耕犁和擠壓翻邊現(xiàn)象。測量表面顯微硬度為520 HV，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，大小為380 MPa。

表5 磨削參數(shù)優(yōu)選

圖5 磨削表面輪廓Fig.5 The grinding surface texture

圖6 磨削表面紋理Fig.6 The grinding surface texture

4 結(jié)論

通過對高溫合金GH4169DA外圓磨削過程中表面完整性特征對磨削工藝參數(shù)敏感性研究，可以得出如下結(jié)論。

(1)建立了表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應(yīng)力對磨削工藝參數(shù)的經(jīng)驗公式，得到了表面特征工藝參數(shù)區(qū)間的靈敏度，表面粗糙度相對工件速度的變化最為敏感，表面顯微硬度相對砂輪速度的變化最為敏感，表面殘余應(yīng)力相對工件速度的變化最為敏感，獲得工藝參數(shù)區(qū)間內(nèi)的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。

(2)通過分析磨削工藝參數(shù)對磨削表面特征的影響規(guī)律，得到了保障較穩(wěn)定的表面粗糙度和表面顯微硬度、較大的表面殘余壓應(yīng)力的磨削工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間，工件速度優(yōu)選區(qū)間為12～22 m/min，徑向進(jìn)給優(yōu)選區(qū)間為0.005～0.01 mm，砂輪速度優(yōu)選區(qū)間為20～25 m/s。

(3)通過對優(yōu)選的磨削工藝參數(shù)磨削后的表面進(jìn)行測試，獲得表面完整性特征測試結(jié)果，其粗糙度為230 nm，最大波峰高為0.94 μm，最大波谷為1.03 μm；表面顯微硬度為520 HV，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，大小為380 MPa，磨削表面紋理清晰平整。