楊薇，肖紅，曹洋，趙彪，丁文鋒

1. 海軍裝備部 北京 100048

2. 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力股份有限公司 陜西西安 710000

3. 南京航空航天大學(xué) 江蘇南京 210016

1 序言

GH4169鎳基高溫合金因其強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕和抗沖擊的特性而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件[1]。由于工作環(huán)境通常伴隨著高溫、高壓和高負(fù)載，使得高溫合金的加工缺陷極易導(dǎo)致零件失效，因此高溫合金的加工質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。磨削是現(xiàn)階段鎳基高溫合金精密加工的主要方法。然而，在傳統(tǒng)磨削中磨粒和工件在磨削區(qū)的接觸距離較長(zhǎng)，材料去除過(guò)程中摩擦力大，產(chǎn)熱量高，導(dǎo)致了砂輪磨損嚴(yán)重、材料去除率低的現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約GH4169的加工效率和加工質(zhì)量[2-4]。

超聲振動(dòng)輔助磨削使材料在去除的過(guò)程中處于共振狀態(tài)[5，6]，造成“短接觸、長(zhǎng)分離”的材料去除方式[7，8]。WANG等[9，10]分析了橢圓超聲振動(dòng)輔助磨削CFRP復(fù)合材料時(shí)磨粒和工件的接觸行為，結(jié)果表明超聲振動(dòng)輔助磨削的有效切削時(shí)間要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)磨削，有助于降低磨削力。李廈等[11]采用有限元法對(duì)比分析了傳統(tǒng)磨削和超聲振動(dòng)輔助磨削45#鋼的磨削區(qū)溫度分布，超聲振動(dòng)的使用將磨削區(qū)溫度從150.66℃降低至127.04℃，原因主要為磨削力的降低進(jìn)一步導(dǎo)致了磨削功率的降低。然而，以上研究主要集中于超聲振動(dòng)對(duì)磨削過(guò)程參量的影響，對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨削GH4169時(shí)工件表面形貌形成機(jī)制仍缺乏更為深入的分析。

在超聲振動(dòng)輔助磨削中，磨粒和工件周期性接觸和分離[12-14]，產(chǎn)生斷續(xù)的切削行為。斷續(xù)切削行為與磨削力、磨削溫度和表面質(zhì)量緊密相關(guān)。YANG等[15]計(jì)算了超聲振動(dòng)輔助磨削中的磨粒和工件的接觸長(zhǎng)度與單顆磨粒切厚，發(fā)現(xiàn)切向超聲振動(dòng)的斷續(xù)切削行為促進(jìn)磨屑的斷裂，相比于傳統(tǒng)磨削產(chǎn)生更短的磨屑，促進(jìn)了316L不銹鋼的塑性去除。CAO等[16]建立了超聲振動(dòng)輔助磨削中磨粒斷續(xù)切削行為與磨削過(guò)程參量的關(guān)系。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)相比于GH4169高溫合金傳統(tǒng)磨削可以降低40%磨削力，然而該研究沒(méi)有分析斷續(xù)切削行為與工件表面形貌的關(guān)系。栗育琴等[17]發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助磨削中，磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)規(guī)整的正弦波動(dòng)形式，使得表面產(chǎn)生特殊形狀的磨痕，緩解了滑擦和耕犁的不良影響，降低了鈦合金磨削的砂輪表面黏附。然而，現(xiàn)階段的研究沒(méi)有結(jié)合GH4169的材料特性揭示超聲振動(dòng)對(duì)工件表面形貌的影響。

工件表面微觀形貌和表面粗糙度是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)[18]。NASKAR等[19]提出切削液的黏度會(huì)影響超聲振動(dòng)輔助磨削中磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的相互作用，相比于傳統(tǒng)磨削，超聲振動(dòng)可以增大沿著磨削方向磨痕的最高值和最低值，從而影響工件表面形貌，改善磨削殘余應(yīng)力。然而，他們對(duì)工件表面形貌的測(cè)量主要沿著磨削方向，超聲振動(dòng)對(duì)垂直于磨削方向工件形貌輪廓的影響仍未提及。張存鷹等[20]提出超聲振動(dòng)輔助磨削中磨粒之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)軌跡相互交錯(cuò)的現(xiàn)象，在工件表面形成了特殊的網(wǎng)狀紋理，可以提高加工表面的均勻性。韓璐等[21]在磨削GH4169時(shí)發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助磨削可以增大表面層的顯微硬度，同時(shí)增加表面層的殘余應(yīng)力和晶粒細(xì)化層厚度，其原因主要為磨粒和工件的間歇接觸增大了磨粒對(duì)表面的擠壓和沖擊。

上述研究均表明，超聲振動(dòng)輔助磨削的斷續(xù)切削行為可以在工件表面產(chǎn)生特殊形貌，但目前尚缺乏工件表面形貌與表面粗糙度之間的聯(lián)系。

為了揭示超聲振動(dòng)輔助磨削中磨粒斷續(xù)切削行為對(duì)工件表面形貌的影響規(guī)律，本研究開(kāi)展了切向超聲振動(dòng)輔助磨削GH4169試驗(yàn)，揭示了磨粒斷續(xù)切削行為與磨削力、工件表面形貌、砂輪磨損方式的關(guān)系，為GH4169高溫合金高質(zhì)量磨削提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為GH4169鎳基高溫合金。表1和圖1分別為GH4169鎳基高溫合金的化學(xué)成分和金相組織，由圖1可以看到清晰的晶格和直線形的晶界。工件毛坯線切割成20mm（長(zhǎng)）×18mm（寬）×12mm（高）標(biāo)準(zhǔn)試樣。為了更好地傳遞超聲振動(dòng)，工件與超聲裝置的配合面首先采用磨削加工，然后拋光，確保配合面表面粗糙度值Ra＜0.3μm。

表1 GH4169鎳基高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[22]（%）

圖1 GH4169鎳基高溫合金金相組織

超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)在BLOHM MT-408高速磨床上開(kāi)展（見(jiàn)圖2），工件超聲振動(dòng)裝置固定在磨床工作臺(tái)；超聲換能器產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，超聲變幅桿將振幅放大，工件夾持在超聲振動(dòng)裝置的端部實(shí)現(xiàn)切向超聲振動(dòng)。試驗(yàn)采用微晶剛玉砂輪（SSG80H6V40m/s），砂輪的尺寸為400mm（外徑）×127mm（中心孔徑）×20mm（厚度）。砂輪的修整采用單點(diǎn)金剛石筆，砂輪修整速度vsd為20m/s，軸向進(jìn)給速度vwd為200mm/min，每次進(jìn)給砂輪修整量apd為0.01mm，總共修整量ad為0.2mm，以此保證砂輪具有較高的鋒利度[23]。磨削過(guò)程中，采用5%水基切削液，最大流量和最大壓力分別為90L/min和1.5MPa。

圖2 超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)

為了考慮磨削速度、工件進(jìn)給速度、磨削深度和超聲振幅對(duì)加工質(zhì)量的影響，采用4因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，其中試驗(yàn)1～9組為正交試驗(yàn)組，用于分析試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和優(yōu)組合，第10組試驗(yàn)為第3組試驗(yàn)的對(duì)照組，用于對(duì)比傳統(tǒng)和超聲振動(dòng)輔助磨削的表面形貌。磨削試驗(yàn)前，首先使用PV50A阻抗分析儀測(cè)試超聲振動(dòng)裝置阻抗特性，系統(tǒng)的諧振頻率為19.895kHz，動(dòng)態(tài)電阻為22Ω，表明系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)很好。然后使用激光測(cè)振儀（LVS01，舜宇，中國(guó)）標(biāo)定超聲電源輸出功率與振幅的關(guān)系，測(cè)振儀輸出的信號(hào)通過(guò)Quick SA軟件進(jìn)行處理。磨削過(guò)程中采用Kistler9317C采集法向和切向磨削力，測(cè)力儀信號(hào)使用Kistler5018A信號(hào)放大器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)使用DynoWare軟件分析，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均信號(hào)值作為磨削力數(shù)據(jù)。磨削結(jié)束后，使用超聲清洗機(jī)清洗每一個(gè)工件，清洗液為丙酮溶液，清洗時(shí)間為5min，最后保存在干燥的容器內(nèi)用于進(jìn)一步分析。工件表面采用粗糙度儀（MarSurf PS1，MAHR，德國(guó)）分別測(cè)量垂直于磨削方向和沿著磨削方向的表面粗糙度值，每個(gè)工件表面測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，最終取平均值。分別采用高清照相機(jī)、光學(xué)顯微鏡（HIROX KH-7700，中國(guó)）和電子顯微鏡（EM-30，COXEM，韓國(guó)）觀察工件表面和砂輪表面形貌，然后采用三維共聚焦顯微鏡（S Neox，Sensofar，西班牙）測(cè)量磨痕輪廓高度。

表2 磨削試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 磨粒斷續(xù)切削行為

超聲振動(dòng)輔助磨削中，磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)包括砂輪旋轉(zhuǎn)、磨床工作臺(tái)進(jìn)給和切向超聲振動(dòng)，磨粒運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡可以表示為

式中，vx和vz分別表示磨粒速度在x軸和z軸的分量（m/s），ω表示砂輪角速度（r a d/s），t為時(shí)間（s），θ0表示初始時(shí)間磨粒的初始位置（rad）。

依據(jù)式（2）可知，當(dāng)超聲振幅足夠大時(shí)，相鄰磨粒之間的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生交叉，導(dǎo)致磨粒在磨削區(qū)周期性與工件發(fā)生接觸和分離，呈現(xiàn)斷續(xù)切削行為，最終影響工件表面的加工質(zhì)量。單顆磨粒未變形切屑厚度（以下簡(jiǎn)稱單顆磨粒切厚）和磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)斷續(xù)切削行為的關(guān)鍵參數(shù)，因此本文計(jì)算了超聲振動(dòng)輔助磨削中的單顆磨粒切厚和磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度，綜合建立了工藝參數(shù)與斷續(xù)切削行為的關(guān)系，為揭示斷續(xù)切削行為與工件表面形貌的關(guān)系提供依據(jù)。

CAO等[16]充分考慮了磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡交叉的情況，提出了一種概率法用于計(jì)算超聲振動(dòng)輔助磨削的單顆磨粒切厚，具有較高的準(zhǔn)確度。依據(jù)該方法，磨粒的單顆磨粒切厚可以表示為

式中，ag為單顆磨粒切厚（μm），ag-n表示之前第n顆磨粒對(duì)當(dāng)前磨粒產(chǎn)生的影響因素，Pn表示目標(biāo)磨粒與之前第n顆磨粒產(chǎn)生軌跡交叉的概率；lg表示相鄰磨粒之間的距離（mm）；θ表示砂輪的接觸角（rad），可以表示為表示超聲振幅在磨粒運(yùn)動(dòng)方向上的分量（μm）。

依據(jù)文獻(xiàn)[24]，磨粒-工件的接觸長(zhǎng)度lcontact可以近似表示為

式中，larc為磨削弧長(zhǎng)（mm）。

依據(jù)表2的試驗(yàn)參數(shù)和式（3）、式（7），可以計(jì)算得到超聲振動(dòng)輔助磨削的單顆磨粒切厚和接觸長(zhǎng)度，如圖3所示。結(jié)果表明，采用第3組和第1組試驗(yàn)參數(shù)，單顆磨粒切厚為最大值（0.53μm）和最小值（0.05μm）。第5組和第8組試驗(yàn)參數(shù)的磨粒接觸長(zhǎng)度分別達(dá)到最大值（11.0mm）和最小值（2.9mm）。為了進(jìn)一步分析各因素對(duì)單顆磨粒切厚和磨粒接觸長(zhǎng)度的影響，依據(jù)圖3結(jié)果開(kāi)展極差分析[25]，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。其中指標(biāo)（m＝1，2，3）表示當(dāng)前水平、當(dāng)前元素響應(yīng)研究目標(biāo)的程度，極差為該指標(biāo)最大值與最小值的差，極差越大，表明該因素對(duì)研究目標(biāo)的影響程度越大，也更加重要。依據(jù)表3、表4結(jié)果可知，磨削速度、工件進(jìn)給速度和磨削深度對(duì)單顆磨粒切厚的影響程度相近，但是遠(yuǎn)小于超聲振幅對(duì)單顆磨粒切厚的影響程度。磨削深度對(duì)磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度影響最大，超聲振幅次之，其主要原因?yàn)槟ハ魃疃鹊脑龃髸?huì)導(dǎo)致磨削弧長(zhǎng)增大，該影響大于超聲振動(dòng)中斷續(xù)切削行為的影響。

圖3 磨粒斷續(xù)切削行為關(guān)鍵參數(shù)

表3 單顆磨粒切厚的極差分析

表4 磨粒與工件接觸長(zhǎng)度的極差分析

依據(jù)表3和表4的結(jié)果，可獲得磨削工藝參數(shù)對(duì)單顆磨粒切厚和磨粒接觸長(zhǎng)度的影響規(guī)律，如圖4和圖5所示。隨著磨削速度的增大，單顆磨粒切厚和磨粒接觸長(zhǎng)度均逐漸減小，其主要原因?yàn)橄噜弮深w有效磨粒切削的時(shí)間間隔減小，使得每顆磨粒每次劃過(guò)磨削區(qū)時(shí)切除的材料減少。工件進(jìn)給速度和磨削深度的增大導(dǎo)致單顆磨粒切厚和磨粒接觸長(zhǎng)度增大，主要原因?yàn)椴牧先コ实奶岣?。超聲振?dòng)對(duì)單顆磨粒切厚和磨粒接觸長(zhǎng)度的影響趨勢(shì)相反。斷續(xù)切削使得磨粒和工件接觸的瞬間產(chǎn)生較大的沖擊作用，此時(shí)的單顆磨粒切厚要大于傳統(tǒng)磨削的單顆磨粒切厚。同時(shí)，由于磨粒與工件之間產(chǎn)生周期性的分離和接觸，使得實(shí)際切削時(shí)間減少，導(dǎo)致超聲振動(dòng)輔助磨削中磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度的大幅度減小。

圖4 磨削工藝參數(shù)對(duì)單顆磨粒切厚的影響規(guī)律

圖5 磨削工藝參數(shù)對(duì)磨粒與工件接觸長(zhǎng)度的影響規(guī)律

3.2 磨削力

正交試驗(yàn)的法向和切向磨削力數(shù)據(jù)如圖6所示。依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表5、表6?？梢园l(fā)現(xiàn)，磨削深度和工件進(jìn)給速度對(duì)法向磨削力的影響很大，其主要原因?yàn)椴牧先コ实脑龃?；此外，磨削速度?duì)切向磨削力的影響要大于其他3個(gè)因素，超聲振動(dòng)的使用主要影響法向磨削力，其對(duì)切向磨削力的影響較小。

表5 法向磨削力的極差分析

圖6 超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)的磨削力

依據(jù)表5和表6的數(shù)據(jù)，可以建立磨削工藝參數(shù)與磨削力的關(guān)系，如圖7和圖8所示。隨著磨削速度的提高，磨削力逐漸降低，主要原因?yàn)槟ハ魉俣鹊脑龃笫沟貌牧献冃温侍岣撸ハ鳟a(chǎn)熱變大，材料更容易發(fā)生塑性變形。工件進(jìn)給速度和磨削深度的提高，導(dǎo)致磨削力逐漸增大，主要是因?yàn)椴牧先コ首兇笫沟妹款w磨粒切除了更多材料。超聲振幅的增大使得法向磨削力明顯降低，主要原因?yàn)槟チ：凸ぜ芷谛缘姆蛛x和接觸對(duì)工件產(chǎn)生了沖擊作用，磨粒在沖擊作用下更容易切入工件表面，實(shí)現(xiàn)材料去除。此外，超聲振動(dòng)可以產(chǎn)生周期性瞬時(shí)較大的單顆磨粒切厚，促進(jìn)磨粒發(fā)生微破碎，產(chǎn)生更多的磨削刃，提高了砂輪的鋒利度[25]，導(dǎo)致了磨削力比的降低。

圖7 磨削工藝參數(shù)對(duì)法向磨削力的影響規(guī)律

圖8 磨削工藝參數(shù)對(duì)切向磨削力的影響規(guī)律

表6 切向磨削力的極差分析

磨削力的值與砂輪的磨損方式有關(guān)，砂輪表面形貌如圖9所示。在傳統(tǒng)磨削中，連續(xù)切削行為會(huì)產(chǎn)生更長(zhǎng)的切屑，長(zhǎng)切屑容易陷入磨粒之間的間隙，導(dǎo)致砂輪堵塞（見(jiàn)圖9a）。在后續(xù)的磨削過(guò)程中，這些磨屑可能會(huì)再次參與到材料去除過(guò)程中，導(dǎo)致表面質(zhì)量的下降[26]。在超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中，由于斷續(xù)切削及時(shí)切斷了磨屑，導(dǎo)致磨屑容易隨著切削液排出磨削區(qū)，因此留在砂輪表面的磨屑較少（見(jiàn)圖9b）。除此之外，在兩種磨削工藝的砂輪上都可以看到一些材料黏附現(xiàn)象，其主要原因與GH4169材料特性有關(guān)，在高溫高壓下，材料變形嚴(yán)重，黏附在磨粒表面，降低磨粒的切削能力。這些黏附材料再次與工件接觸時(shí)，會(huì)引起磨粒的大塊磨碎或者脫落[26]。采用電子顯微鏡觀察兩種工藝條件下的磨粒表面，可以發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)磨削中磨粒主要為磨耗磨損（見(jiàn)圖9c）。主要原因在于，磨粒和工件接觸時(shí)間長(zhǎng)，材料去除過(guò)程中磨粒逐漸鈍化，增大了磨粒和工件接觸面積，導(dǎo)致磨削力和磨削溫度升高。超聲振動(dòng)輔助磨削中，磨粒周期性地與工件分離，大幅度降低了磨粒實(shí)際切削時(shí)間，緩解了磨耗磨損程度，但是由于磨粒和工件的接觸瞬間具有較大的單顆磨粒切厚，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性瞬時(shí)的沖擊力，所以磨粒表面容易出現(xiàn)裂紋而發(fā)生微破碎（見(jiàn)圖9d）。破碎后的磨?？梢月冻龈嗟哪ハ魑⑷衃27]，提升了磨粒的自銳作用，降低了磨削力。

圖9 傳統(tǒng)和超聲振動(dòng)輔助磨削工藝條件下的砂輪表面形貌

3.3 表面粗糙度

由于切向超聲振動(dòng)同時(shí)影響x和y方向的工件表面形貌[28，29]，因此本節(jié)將兩個(gè)方向上的表面粗糙度值分別討論，圖10為正交試驗(yàn)的表面粗糙度值測(cè)試結(jié)果。通過(guò)極差分析，得到表7和表8，發(fā)現(xiàn)x方向表面粗糙度值普遍小于y方向。x方向表面粗糙度值主要受工件進(jìn)給速度影響，原因?yàn)楣ぜM(jìn)給速度的提高可以增大單顆磨粒留在工件表面的磨痕長(zhǎng)度，使得沿著x方向磨痕的均勻性提高。磨削速度對(duì)工件表面y方向的表面粗糙度值影響占比最大，主要原因?yàn)槟ハ魉俣葘?duì)單顆磨粒切厚的影響較大，導(dǎo)致單顆磨粒每次劃過(guò)表面留下的磨痕更淺，降低了該方向上的表面粗糙度值。

圖10 超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)的工件表面粗糙度值

表7 x方向表面粗糙度值的極差分析

表8 y方向表面粗糙度值的極差分析

圖11和圖12為工藝參數(shù)對(duì)兩個(gè)方向上工件表面粗糙度值的影響趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，工件表面粗糙度值的變化趨勢(shì)與圖4中單顆磨粒切厚的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明單顆磨粒切厚越小，磨粒每次切削工件表面時(shí)的材料去除量就越小，導(dǎo)致磨痕深度和長(zhǎng)度更小，從而提升了表面質(zhì)量。超聲振幅的提高，可以明顯提高x和y方向上的表面粗糙度值，主要原因與單顆磨粒切厚和磨粒的接觸長(zhǎng)度有關(guān)。振幅的提高降低了磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度（見(jiàn)圖4、圖5），使得磨粒在磨削區(qū)內(nèi)對(duì)工件表面沖擊的次數(shù)增加，增大了磨削方向上磨痕的波動(dòng)程度，引起了表面粗糙度值的增加。超聲振幅的增大，同時(shí)也顯著增大了單顆磨粒切厚，磨粒切入工件更深，因而在y方向上產(chǎn)生更深的溝痕，提高了y方向上的表面粗糙度值。

圖11 磨削工藝參數(shù)對(duì)x方向工件表面粗糙度值的影響

圖12 磨削工藝參數(shù)對(duì)y方向工件表面粗糙度值的影響

依據(jù)以上結(jié)果可知，磨削工藝參數(shù)的優(yōu)選與加工步驟有關(guān)。粗磨階段，由于需要追求較大的材料去除率，對(duì)工件表面質(zhì)量的要求較小，因此應(yīng)當(dāng)采用較大的工件進(jìn)給速度、磨削深度和超聲振幅，可以提高無(wú)磨削燒傷的極限材料去除率和加工效率。精磨階段，需要確保工件具有較低的表面粗糙度值，因此采用較大磨削速度，較小工件進(jìn)給速度和磨削深度，同時(shí)取消切向超聲振動(dòng)。

3.4 工件表面形貌

為了研究磨粒斷續(xù)切削行為與工件表面形貌的關(guān)系，分別采用高清照相機(jī)、光學(xué)顯微鏡和共聚焦顯微鏡觀察對(duì)比了第3組和第10組試驗(yàn)參數(shù)條件下的工件表面形貌，結(jié)果如圖13所示。在磨削速度、工件進(jìn)給速度和磨削深度分別為10m/s、300mm/min和0.3mm條件下，普通磨削表面可以看到明顯的燒傷痕跡，而超聲振動(dòng)輔助磨削的表面仍然具有較好的金屬光澤，表明超聲振動(dòng)的使用可以明顯提高材料去除率，降低磨削區(qū)溫度，改善磨削燒傷。主要原因?yàn)椋耗チＴ跀嗬m(xù)切削時(shí)，頻繁地與工件分離，可以使切削液及時(shí)地將磨削熱帶走；此外，超聲振動(dòng)的空化作用也可以提高切削液的擾動(dòng)，一定程度上提高了換熱能力[30]。不僅如此，超聲振動(dòng)輔助磨削的工件表面可以觀察到一些特殊形貌[31]，特殊形貌的輪廓與斷續(xù)切削行為相關(guān)。傳統(tǒng)磨削中，由于磨粒與工件在磨削區(qū)長(zhǎng)時(shí)間接觸，因此留在工件表面的磨痕長(zhǎng)，整個(gè)表面呈現(xiàn)水平平行排列的長(zhǎng)條狀磨痕形貌。超聲振動(dòng)輔助磨削中，斷續(xù)切削行為使磨粒與工件產(chǎn)生一定頻率的接觸和分離，因此工件表面呈現(xiàn)周期性的短磨痕形貌。

圖13 傳統(tǒng)磨削和超聲振動(dòng)輔助磨削的工件表面形貌

為了進(jìn)一步分析工件表面粗糙度值與磨痕形貌的關(guān)系，單獨(dú)提取長(zhǎng)磨痕形貌和短磨痕形貌進(jìn)行對(duì)比分析，分別獲得磨痕沿著x方向和y方向的輪廓截面，如圖14所示。長(zhǎng)磨痕沿著x方向的輪廓非常均勻，沿著y方向上輪廓呈現(xiàn)明顯的高低起伏，因此x方向上的表面粗糙度值普遍要小于y方向。觀察超聲振動(dòng)輔助磨削表面，短磨痕形貌沿著x軸呈現(xiàn)周期性起伏，起伏幅度為4.76μm，該值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磨削表面，因此導(dǎo)致了超聲振動(dòng)輔助磨削中x方向表面粗糙度值高于傳統(tǒng)磨削（見(jiàn)圖11）。對(duì)于y方向磨痕輪廓，短磨痕周圍形成了更高的塑性隆起，磨痕輪廓幅值為5.10μm，該值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磨削中的短磨痕幅值（1.81μm），造成超聲振動(dòng)輔助磨削比傳統(tǒng)磨削的y方向表面粗糙度值更高（見(jiàn)圖12）。

圖14 長(zhǎng)磨痕和短磨痕的形貌輪廓截面對(duì)比

為了進(jìn)一步分析兩種磨痕的產(chǎn)生機(jī)理，采用掃描電鏡觀測(cè)磨削表面，材料塑性變形程度如圖15所示。在傳統(tǒng)磨削中，長(zhǎng)磨痕平行排列，磨痕兩側(cè)的塑性隆起較低，該現(xiàn)象與光學(xué)顯微鏡結(jié)果一致。然而，在超聲振動(dòng)輔助磨削的表面上可以觀測(cè)到具有周期性水平排列的短磨痕，短磨痕兩側(cè)的塑性隆起現(xiàn)象非常明顯，造成y方向表面粗糙度值明顯升高。結(jié)合圖4、圖5結(jié)果，超聲振動(dòng)輔助磨削具有較高的單顆磨粒切厚和較短的磨粒接觸長(zhǎng)度，使得材料去除時(shí)產(chǎn)生更大的塑性變形，產(chǎn)生更深的磨痕和更高的塑性隆起現(xiàn)象，造成了表面粗糙度值的升高。

圖15 傳統(tǒng)磨削和超聲振動(dòng)輔助磨削中材料塑性變形程度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)展了超聲振動(dòng)輔助磨削GH4169鎳基高溫合金正交試驗(yàn)，揭示了磨削速度、工件進(jìn)給速度、磨削深度和超聲振幅對(duì)磨削力、工件表面形貌的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

1）超聲振動(dòng)輔助磨削中，超聲振幅對(duì)單顆磨粒切厚的影響程度高于磨削速度、工件進(jìn)給速度和磨削深度。隨著超聲振幅的增大，單顆磨粒切厚逐漸增大，磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度呈減小趨勢(shì)，磨粒斷續(xù)切削行為更明顯。

2）超聲振動(dòng)可以明顯降低法向磨削力和磨削力比，主要原因?yàn)閿嗬m(xù)切削行為促進(jìn)了磨粒的微破碎，提高了砂輪鋒利度。

3）粗磨階段，應(yīng)當(dāng)采用較大的工件進(jìn)給速度、磨削深度和超聲振幅，可以有效提升無(wú)燒傷條件下的材料去除率。精磨階段，應(yīng)當(dāng)采用較大磨削速度、較小工件進(jìn)給速度和磨削深度，并取消切向超聲振動(dòng)，可以獲得較低的工件表面粗糙度值。

4）傳統(tǒng)磨削加工中，磨粒連續(xù)切削行為可以在工件表面形成平行排列的長(zhǎng)磨痕形貌。超聲振動(dòng)輔助磨削中，磨粒的斷續(xù)切削行為在工件表面形成周期性短磨痕形貌，使材料去除過(guò)程中發(fā)生更大的塑性變形，增大了磨削表面粗糙度值。