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高速磨削用单层钎焊CBN砂轮及其磨削性能

工具技术2018-07-19 06:12:06

高速磨削是针对钛合金、高温合金等难加工材料的高效磨削加工技术之一。在高速磨削条件下,可在获得较好加工表面质量的同时,有效提高材料去除率。近十年来,国内外在高速磨削领域的研究成果极大促进了航空航天、国防等领域制造技术的快速发展,使高速超高速磨削成为21世纪高效磨削技术的主要发展方向。

高性能砂轮是磨削加工的执行者和关键的工具保障。研究表明,单层钎焊立方氮化硼(CBN)砂轮能够实现结合剂(钎料)与磨粒之间的化学结合,在磨料把持强度、加工效率以及砂轮寿命等方面存在优势,被认为是当前单层电镀工具的换代产品,在难加工材料高效磨削领域具有广阔的应用前景。迄今为止,国内外针对单层钎焊CBN砂轮的微观界面结构及其磨削性能进行了深入研究,极大地提高了该类砂轮在难加工材料的加工质量和加工效率。

由于钎焊砂轮制作过程中需要经历900℃以上的高温,砂轮基体在钎焊过程中也同时被加热至钎焊温度,引起砂轮基体变形,导致砂轮自身精度降低。这一弊端弱化了钎焊砂轮作为精密加工工具的本质属性,极大限制了钎焊砂轮在高速磨削领域的应用。文献提出节块组合式钎焊CBN砂轮用于高速磨削,可有效避免砂轮基体的热变形,但该类砂轮采用机械装配和粘结等方法,在高速条件下尚存在机械变形、安全性能差等缺陷。感应钎焊具有速度快、可局部加热的特点,有望弥补真空炉中钎焊工艺在精度控制等方面的不足。尽管众多研究者开展了感应钎焊方面的相关工作,但这些研究较少涉及钎焊砂轮的变形控制问题。

综上所述,针对当前高速磨削用单层钎焊砂轮存在的热变形问题,本文提出基于局部加热的超高频感应钎焊工艺制备单层钎焊CBN砂轮,研究了该砂轮的钎焊变形,并通过对镍基高温合金的高速磨削试验评价其磨削性能。

1  高速磨削用单层钎焊CBN砂轮的制备

选用无镀膜单晶CBN磨粒,牌号CBN-230,直径150-180μm。钎料采用Ag-Cu-Ti合金粉末,其主要成分为 (Ag72Cu28)95Ti5,用量80mg/cm2,采用精度为0.1mg的Adventurer型分析天平进行称量。砂轮基体材料为45钢,直径400mm,工作面宽度10mm。钎焊前,将CBN放入丙酮溶液中超声清洗10min,并对砂轮基体外圆表面除锈、去油污处理。超高频感应钎焊过程如图1所示,采用纯度为99.99%的Ar气作为保护气氛,单回线感应器置于砂轮工作面上方,加热电流频率约1MHz,电流强度27A,在砂轮工作面形成宽度约3mm的钎焊熔池,砂轮以恒定速度转动,感应器相对于砂轮基体的线速度0.5mm/s,钎焊过程中保持熔池温度900-940℃。


(a)原理


(b)现场照片

图1  超高频感应钎焊

图2所示为制备的高速磨削用单层钎焊CBN砂轮。可以看出,砂轮表面钎料层未发生氧化,无堆积现象。CBN磨粒出露良好,呈规则的有序排列,没有发生局部聚集。


图2  采用超高频感应钎焊制备的CBN砂轮

利用海克斯康公司生产的Micro-Hite DCC三坐标测量机跟踪测量砂轮基体钎焊前后的基本尺寸和形位精度,对每个数据重复测量5次,去掉最大值和最小值后取其平均值,结果见表1。可见,钎焊前后所测量的各项数据均满足钎焊砂轮设计的精度要求。其中内孔直径在钎焊前后分别为127.022mm和127.006mm,相对减小了16μm。而其它数据在钎焊后的变化量均在10μm以下。

表1  单层钎焊CBN砂轮基体尺寸的三坐标测量结果

2  单层钎焊CBN砂轮高速磨削高温合金磨削性能试验

试验采用德国BLOHM公司的PROFIMAT MT408型高速平面磨床,最大主轴功率75kW,最大砂轮直径为F400mm,最高砂轮线速度可达165m/s。以镍基高温合金GH4169为加工对象,尺寸50mm×5mm×50mm。磨削方式为切入式顺磨。冷却液采用5%水基乳化液,针束型喷嘴供给,出口射流速度40m/s。高速磨削工艺参数选择砂轮线速度80-150m/s,工件进给速度60-300mm/min,切深0.1-1mm。采用KISTLER 9272传感器测量磨削力,高温合金与康铜丝组成的半人工热电偶信号接入NI USB-6211数据采集卡进行测温。表面粗糙度的测量采用Mahr表面粗糙度仪,取样长度1.75mm。


图3  磨削力原始信号局部放大图

图3为两种不同方法制备的单层钎焊CBN砂轮在磨削速度120m/s条件下的法向磨削力原始信号局部放大图。可以看出,组合式单层钎焊CBN砂轮的磨削力信号波动十分严重,并呈现明显的周期性(图中双箭头所示)。由于组合式单层钎焊CBN砂轮在高速旋转过程中的机械变形较大,导致该砂轮对工件的实际磨削深度出现较明显的周期性变化,甚至在某些时刻的砂轮与工件并未明显接触,磨削力接近0(图中箭头所示)。而超高频连续感应钎焊制备的CBN砂轮磨削力原始信号整体比较平稳,表明该砂轮具有较好的形状精度。

图4显示法向磨削力Fn随砂轮线速度的增加呈现明显的上升,而切向磨削力Ft基本保持不变;此外,磨削力比Fn/Ft随着砂轮线速度的增加呈现先增大,当砂轮线速度为150m/s时出现了明显下降,从7.5下降到5.0,表明材料的磨削性能得到了改善,逐渐变得容易磨削。

通常在低速条件下,提高砂轮线速度vs,单位时间内参与磨削的有效磨粒数目增多,单颗磨粒平均切厚减小,从而可以降低磨削力,从高速磨削镍基高温合金的结果可以看见磨削力出现增大,而磨削力比呈现先增后减的现象(见图4)。其原因是在高速条件下,速度效应表现得更加显著,并通过应变率强化效应与热软化效应主导地位的变化来改变材料的加工特性,由此引发镍基高温合金材料成屑机制的改变。即当砂轮线速度从80m/s增加到120m/s,应变率强化效应使得材料塑性降低,导致高温合金的切削性能变差,法向磨削力和磨削力比增大;而砂轮线速度进一步提高到150m/s时,高温合金变形温度上升显著,塑性提高,从而改善了高温合金的磨削性能,法向磨削力的增加变缓,磨削力比下降。


图4  磨削速度对磨削力的影响

图5为单层钎焊CBN砂轮在线速度vs=80m/s条件下不同磨削用量下的磨削温度。可以看出,镍基高温合金表层温度随着磨削用量的增大而逐渐上升,其最高温度不超过90℃,未出现突发烧伤的现象。单层钎焊CBN砂轮磨削镍基高温合金过程中,磨削温度较低的原因主要可以归结为钎焊CBN砂轮优异的磨削能力和导热性能。


图5  磨削用量对磨削温度的影响

图6显示了在恒定的进给速度vw=120mm/min时,不同磨削用量条件下镍基高温合金加工表面粗糙度值。可看到随着砂轮线速度提高,镍基高温合金表面粗糙度值呈现轻微增加;而切深ap对表面粗糙度值影响不明显。在试验工艺范围内,镍基高温合金的表面粗糙度可达Ra0.4μm。


图6  磨削用量对表面粗糙度的影响

图7为砂轮切深1mm、进给速度120mm/min的磨削条件下镍基高温合金加工表面微观形貌照片。可看出工件表面的划痕清晰规整,且划痕两侧基本上无隆起,亦未见到明显裂纹及烧伤等缺陷。图7显示了磨削速度为150m/s时工件表面质量相对于80m/s条件下略有下降,磨粒切削划痕更加明显。


(a)vs=80m/s


(b)vs=150m/s

图7  镍基高温合金加工表面微观形貌照片

黄新春等研究结果显示,相对于其它磨削用量,磨削速度对Ra值的影响较大。田霖等指出,随着砂轮线速度的增加,高温合金应变率增加,其变形温度上升显著,引起塑性提高,使磨粒在工件表面滑擦后留下的隆起高度增加。此外,在高速磨削条件下,冷却液不容易进入磨削弧区,从而导致弧区内冷却润滑条件变差也是原因之一。

砂轮单位宽度材料去除量累计达到3000mm3/mm后,对单层钎焊CBN砂轮表面形貌进行观察(见图8)。可以看到砂轮的主要磨损形式是磨粒在磨削过程中发生的磨耗磨损和尖角微破碎。


图8  钎焊CBN的磨损形貌

3  结语

(1)提出了基于局部加热的超高频感应钎焊工艺制备用于高速磨削的单层钎焊CBN砂轮。测量结果显示该砂轮基体在钎焊后变形量小于16μm。

(2)在高速重负磨削镍基高温合金试验中,加工表面未见裂纹和烧伤,表面粗糙度达Ra0.4μm,砂轮表现为正常磨耗磨损。表明超高频感应钎焊工艺制备的单层钎焊砂轮在高速磨削具有应用潜力。

原载《工具技术》    作者:李奇林