高效抗疲劳磨削加工技术研究

专题研究

高效抗疲劳磨削加工技术研究

黄新春,张定华,姚倡锋,任敬心

(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,西安710072)

[摘要] 通过对航空领域难加工材料磨削加工技术的分析,给出了高效抗疲劳磨削加工技术的概念和意义,并结合高效抗疲劳磨削中的关键技术,以及高效抗疲劳对现代磨削加工技术的要求,阐述了磨削加工过程中的新技术和新工艺,提出了表面完整性高效磨削技术:即在保证零件表面完整性的同时实现对磨削参数的优化选择,从而实现高效磨削,为表面完整性高效抗疲劳磨削方法的研究提供了理论依据。

[关键词] 磨削;抗疲劳;表面完整性;高效

[中图分类号]TG580.6[文献标识码]A[文章编号]1003-5451(2011)03-0001-04 Research on H igh-efficient and Anti-fatigue Grindi ng M achini ng Technol ogy

HUANG X i n-chun,Z HANG D i n g-hua,YAO Chang-feng,et al

(K ey Lab of Conte m porary Desi gn and IntegratedM anu f act uri ng Technol ogy,

M i nistry of Education,Nort hwestern Pol ytechn icalUn i versity,X ia'n710072)

[Abstract]By anal yzi ng t he gri nd i ng technology of difficu lt-t o-m ach i nem ateri als i n the aviati on,the concept and m i portance of the h i gh-effici ent and anti-fati gue gri ndi ngm achi n i ng technology w ere gi ven.Co m bini ng w ith t he key technology and the requ ire m ents of the m odern gri ndi ngm ach i n i ng technol ogy,t he process of grind i ng of ne w technology and ne w craft was expounded.The s urface i ntegri ty effi ci ent gri nd i ng technology w as proposed.The i ntegrity of thew orkpiece surface was f u lfill ed wh ile the optm i i zed sel ection of gri nd ing param eters was ach i eved.The effi ci ent gri nd i ng was reali zed.The t heoretical basis f or t he st udy of surface i n tegrity high-effi cient and anti-fati gue gri nd i ng m ethod was provided.

[Key words]gri nd i ng;anti-fati gue;surface i ntegrity;h i gh-efficiency

随着现代制造业及宇航事业的发展,对零件的可靠性和延长寿命的要求日益苛刻。据统计,机械零构件失效中,疲劳失效占到50%~90%;航空零件的失效中,占到80%以上[1]。

在影响结构疲劳强度或疲劳寿命的诸多因素中,表面粗糙度、表层应力状态及表层组织结构是最重要的因素之一[2]。传统的磨削加工技术虽可获得好的构件精度及表面粗糙度,但实际生产中长期存在着易出现磨削裂纹、磨削烧伤、表面高拉应力状态等严重破坏构件表面完整性、降低构件疲劳强度或疲劳寿命的突出问题,造成构件缺乏高可靠性[3]。近年来包括新型高温钛合金、高温铌合金、镍基高温合金、钛铝和镍铝之间的系列金属间化合物材料、先进陶瓷、金属基复合材料(MMC)、陶瓷基复合材料(C M C)和碳/碳复合材料等新材料技术不断涌现,工业化应用逐步深入,有效促进了以航空、航天、汽车、舰船为代表的众多工业领域的技术进步。但是,上述材料在大幅度提高了包括比强度、比刚度、使用温度在内的各项综合性能指标的同时,也大幅度增加了这些材料机械加工的难度。事实上其中很多材料都已是现有传统工具包括超硬磨料工具和工艺无法啃动的超级难加工材料。虽然考虑到加工的难度,在研发新一代航空结构和功能材料时已经采用少余量

2011年6月

第47卷 第3期

航空精密制造技术

AVIATIO N PREC ISIO N MANUFACTURI NG TECHNOLOG Y

Jun2011

Vol.47N o.3

和近无余量的制备技术,以使在结构零件的制造过程中,能将必需的机械加工作业量控制到最小。但是就大多数航空发动机的结构件而言,它们所需的尺寸形状精度、表面粗糙度和表面完整性的要求最终仍然必需经由机械加工提供保证[5、6]。传统的切削和磨削加工已无法适应以这些难加工材料为基础的关键零部件的加工需求,急需发展高效抗疲劳磨削技术以改善加工效率低、无法满足构件疲劳性能和可靠性的不利局面。

因此,在广泛的加工领域,尤其是上述难加工材料构件的制造领域,高效抗疲劳磨削加工技术是相关关键构件加工过程中的重要技术手段,其先进性对相应工业领域的发展及产品的竞争优势起着举足轻重的作用。

1 高效抗疲劳磨削技术内涵

高效抗疲劳磨削技术,就是以获得构件高疲劳寿命为主要判据,在满足加工精度要求前提下,应用高效精磨的磨削加工方法,通过控制高效精密磨削加工时的工艺参数域,以高效率获取难加工材料关键零部件最终加工表面,具有加工表面完整性可优化控制的突出特点,是精密加工领域中以关键零部件抗疲劳磨削加工技术。

在高效精密磨削过程中,通过对磨削方法和磨削工艺参数的优化选择,从而达到控制制造工艺形成的无损伤或强化的表面状态[6]。在去除表面材料过程中,由于热-力耦合机械作用或电-化学作用等,诱发复杂的传热-传质现象和微观组织变化而形成的表面变质层。通过控制表面变质层的状态,形成具有 抗疲劳 的表面变质层,从而在获得好的表面完整性,提高被加工表面的抗疲劳强度,形成抗疲劳式的高效精密磨削技术。

要发展高效抗疲劳磨削技术,随着新型材料的出现及新的加工工艺方法的应用,其对加工表面完整性的要求日益严格,研究的内容更为广泛,主要表现以下几个方面[7]:

磨削加工过程中,磨粒对表面微观组织、表面缺陷影响的研究;

加工过程中造成位错密度变化和加工变质层的研究;

磨削加工表面完整性主要特征参数对疲劳强度的影响,建立必要的数学模型;在模拟条件下分析研究加工表面完整性对疲劳强度的影响,以便优化加工参数及工艺过程;

探索 无应力集中 加工工艺,对高效低应力无损伤磨削技术、绿色高效强力润滑技术、超精或超光滑表面加工技术等对抗疲劳加工表面性能的影响进行深入研究;

加工工艺过程的模拟研究:利用有限元模拟加工工艺过程中的所切材料的属性、刀具几何参数、切削加工参数及其它工艺参数引起的切削力载荷、热载荷和残余应力等因素、预测被加工零构件内部应力、应变和温度等物理量的分布情况。

2 高效抗疲劳磨削关键技术

2.1 微细磨料精密、超精密磨削技术

目前,采用不适当的加工工艺及加工参数虽然可以达到零件的一些基本要求,例如表面粗糙度和表层金相组织的要求,但可能掩盖加工表面损伤,组织改变和应力状态等各种缺陷,因而使构件的疲劳强度和应力腐蚀抗力遭受严重损失。为此,发展了一种微细磨料的精密、超精密磨削技术。这种技术的关键技术为:采用精密、超精密磨床、精密修整、微细磨料磨具、亚微米级以下的切深和洁净环境等;工作台具有高移动精度、高主轴回转精度、高刚度和超精密微进给机构。还要解决加工中心的检测与控制,超精密测量光栅尺、双频激光干涉仪测量、扫描隧道显微镜、激光干涉仪等测量设备[8]。另外,必须抑制砂轮振动,必须解决砂轮动平衡难题,实现在线自动平衡和自动反馈。2.2 立方氮化硼(CBN)超硬磨料砂轮磨削技术

现代磨削技术中,CBN砂轮是获得低应力、抗疲劳表面的最优效的技术手段,国内外进行了大量的实验研究。采用CBN磨削技术可以获得残余应力很低(甚至达到一定压应力)的磨削温度可控的无烧伤表面。合理地选择CBN砂轮浓度、磨粒粒度及结合剂种类,将可能形成 无应力 加工表面,提高零件的疲劳强度。研究中指出了刚玉砂轮和CBN砂轮磨削100Cr6(60HRC)的疲劳强度对比,在断裂概率为50%条件下,刚玉砂轮磨削件的断裂强度为628N/mm2,而CBN砂轮为1029M Pa,大约提高了64%[9]。

高效抗疲劳磨削加工技术研究

2.3 缓进给磨削技术

缓进给磨削是一种高效的磨削加工工艺,它通过增大磨削深度、降低进给速度,使砂轮与工件有较大的

接触面积并同时获得高的速度比,从而实现提高金属磨除率和加工精度及减小表面粗糙度的目的,它与普通磨削的区别在于其大的磨削深度a

p

(1~30mm)和

小的工件进给速度(v

w

=5~300mm/m in)[10]。

缓进给磨削中,工件表面的温度随a

p 的增大及v

w

的减小而逐渐降低,并向工件深层扩展,磨削热被磨屑带走的热量较多,所以工件表面温度较低,同时,由于单颗磨粒承受的磨削力小,砂轮磨损比普通磨削小得多。当前,缓进给磨削已成功用于磨削航空发动机中的叶片榫齿,叶冠型面、封严齿及锁片槽等。磨削表面基本上是压应力,这是该磨削技术的最大特点,而且大切深和低工件速度是其缓进给磨削方法的主要特征。

2.4 砂带磨削技术

砂带磨削在先进制造技术领域有着 万能磨削 和 冷态磨削 之称的新型工艺,其已成为与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。高效砂带磨削技术采用静电植砂方法使有一定长径比的磨料一律锋刃向外以合理的间距直立排布在砂带的工作面上,从而就赋予了砂带超常的静态锋利度。使高效砂带磨削的磨削比能可被降低到接近切削比能的水平,材料去除率则高达700mm3/mm s上下,且热效应低,有 冷态磨削 的美誉[11]。由于砂带磨削可有效的降低了磨削温度,改善了加工表面完整性,被迅速应用在叶片类零件的磨抛加工中,以替代手工磨抛切削加工刀痕,降低叶片表面粗糙度,提高抗疲劳能力。

2.5 磨削自动化、智能化和信息化技术

磨削加工中,由于砂轮线速度高引起的破碎现象时常发生,砂轮破碎及磨损状态的监测是关系到磨削工作能否顺利进行和保证加工质量和零件表面完整性的关键;在高速磨削加工中,在线智能监测系统是保证磨削加工质量和提高加工生产率的重要因素。

使用磨削机器人是磨削加工自动化的标志。磨削机器人主要用于去除毛刺和抛磨加工。智能磨削系统利用多传感器信息融合技术,对过程信息进行处理,为决策与控制提供准确可靠的信息。根据传感器模块提供的加工过程信息和磨削数据库,作出决策规划,确定合适的控制方法,产生控制信息,通过控制器作用于加工过程,以达到最优控制,优化磨削条件,实现要求的加工任务。

3 表面完整性高效抗疲劳磨削技术

表面完整性高效抗疲劳磨削技术是从加工表面完整性的主动控制出发,将加工表面优化在可获取构件最佳疲劳性能或疲劳寿命的结构状态,以切实提高构件的可靠性。

3.1 磨削表面完整性对疲劳的影响

表面完整性是指零件由加工所形成的表面特征和表层特性。如图1所示,表面特征指零件已加工表面的几何特征,包括表面粗糙度,表面波纹深度,表面纹理方向和表面缺陷。表层是指已加工零件几何表面至材料基体之间,并产生一系列复杂变化的薄层。表层特性有:宏观裂纹、微观裂纹、洼坑(弧坑)、塑性变形、麻坑(麻点)、折叠(折皱)、硬度变化、残余应力、低应力表面、热影响区、

再结晶和冶金变化等。

图1 表面完整性示意图

表面完整性对疲劳性能的影响程度将随材料和条件的不同而变,但总的影响规律不变,表面粗糙度、冷作硬化和残余应力及其它表面缺陷将是主要影响参数。

图2所示是G H4169高温合金磨削表面完整性特征中表面粗糙度和残余应力对疲劳的综合效应,由此可见,G H4169高温合金磨削时,磨削表面粗糙度对疲劳强度影响不大,其疲劳强度随表面残余拉应力的增大而减小,随着表面压应力的增大而增大。

表面完整性效应是在具体零件材料与某种特种加工过程的组合得到的。不同的组合有不同的关系,不能根据有限的数据作出一般性的结论。此外,其主要作用的因素也是随材料性能和使用条件的不同而异。例如残余应力和加工硬化都有可能提高强度,但对高强度钢而言,残余应力起主要作用;而对低强度钢而

航空精密制造技术 2011年第47卷第3期

言,

加工硬化起主要作用。

图2 表面完整性与疲劳强度关系

通过有效加工过程的控制,使加工表面层生成近于 无应力集中 的表面层,如低应力磨削方法,该方法是国外早已研究并应用的一种精密磨削技术,它的主要目的是为了实现加工表面无烧伤,低残余应力(极小的拉应力或压应力),甚至实现无应力磨削。通过控制磨削参数(v s 、v w 、a p 等),磨削液(水或油),解决了磨削烧伤,控制表面缺陷的产生。该技术已用于钛合金、高温合金及超高强度钢的磨削,使被磨材料的抗疲劳性能显著提高。其可以形成无划痕、无微细裂纹、无烧伤、低、无应力、无晶格畸变等表面组织缺陷的加工表面层,使零件疲劳强度有大幅度提高,逼近所有材料的固有疲劳性能。

3.2 GH4169表面完整性高效抗疲劳磨削

表面完整性高效抗疲劳磨削技术正是从加工表面完整性的主动控制出发,将加工表面优化在可获取构件最佳疲劳性能或疲劳寿命的结构状态,以切实提高构件的可靠性。

为了实现表面完整性高效抗疲劳磨削,需要满足以下约束:

表面完整性磨削加工约束:

R a m R a m ;d d m ; m ;

式中:R a 磨削表面粗糙度;

R a m 工件表面粗糙度最大允许值;d 磨削表面变质层厚度;

d m 工件表面变质层厚度最大允许值; 磨削表面残余应力;

m 工件表面残余应力最大允许值。加工效率和成本约束:

t t m ;C C m

式中:t 磨削加工时间;

t m 最大允许时间值;C 磨削加工总成本;C m 最大允许成本。

同时,磨削加工总余量D 需大于或等于待加工表面的变质层深度d 0。

图3所示,为磨削表面完整性与磨削深度的关系,图中可以看出,随着磨削深度a p 的增大,磨削表面粗糙度R a 、磨削表面残余应力和变质层深度都增大。

通过磨削参数对表面完整性综合效应和敏感性分

析,在研究表面完整性磨削加工时,需要严格控制砂轮速度v s 、工件速度v w 和横向进给a f ;而在研究表面完整性高效磨削方法时,影响高效的最重要的因素则是磨削深度a p ,所以需要在此确定一定的砂轮速度v s 、工件速度v w 和横向进给a f 条件下磨削深度a p 与表面完整性和效率的关系。

通过对磨削加工过程中磨削深度a p 与磨削表面完整性的分析,建立磨削表面变质层深度和磨削效率与磨削深度a p 的关系,如图4所示,从而得到表面完整性高效磨削工艺控制方法,即在优化区a p 0内进一步

优选以实现表面完整性高效磨削工艺参数优选。

图3 表面完整性与

磨削深度的关系图4 表面完整性的高效磨削用量的选择

通过针对GH4169表面完整性高效抗疲劳磨削技术研究,得到其高温合金磨削优选的参数区间为:

平面磨削

粗磨:v s =15~20m /s ;v w =10~14m /m in a p =0.01~0.02mm;a f =1~1.5mm /str ;

精磨:v s =15~20m /s ;v w =10~14m /m i n a p =0.005~0.01mm;a f =0.5~1.0mm /str 。

外圆磨削

粗磨:v s =15~20m /s ;v w =10~20m /m in f r =0.01~0.02mm;f a =1.5~2mm /r 。精磨:v s =15~20m /s ;v w =10~20m /m in f r =0.002~0.006mm;f a =1~1.5mm /r 。

(下转第7页)

高效抗疲劳磨削加工技术研究

在该试验机上进行某种轴承钢的滚动接触疲劳试验。试验的接触应力超过5.5GP a ,转速达到12000r /m i n 。滚棒试样与惰轮之间的接触为纯滚动接触。主轴旋转至3.7 107

时,试样上产生剥落坑(如图4所示)。当即判据试样失效,主轴停止旋转,同时计数器也停止继续计数。此时得到该试棒的滚动接触疲劳寿命为7.4 107

。卸下试样,肉眼能清楚的观察到剥落坑,剥落坑大小约为0.2mm 2

,见图5

。

图4 滚动接触疲劳试样上的剥落坑图5 滚动接触疲劳试

样上的剥落坑

5 结束语

新研制的滚动接触疲劳试验机能在大载荷(6kN )、高转速(10000r/m i n)下进行,能够充分体现了被试球的滚动接触疲劳性能。该试验中被试试棒在同一圆截面上受力,并沿此圆周作纯滚动,试样球每

转1周受到2次等间隔等接触强度的循环接触载荷的作用,且两个接触点共处在同一最大滚动圆周上,试样球的最大转速为10000r/m i n ,最大赫兹接触应力可达7GPa 。该试验机效率高(若循环次数为1 107

次,仅需500m i n)。测试试样易于制造,精度高,置换

方便,可用于评定各种材料球的滚动接触疲劳性能。

参考文献

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(收稿日期2011-03-10)

(上接第4页)

4 小结

通过对高效抗疲劳磨削加工技术的概念和关键技术的分析,分析了现代磨削加工过程中的新技术和新工艺,研究了表面完整性高效抗疲劳磨削技术的理论和方法,提出了实现表面完整性高效抗疲劳磨削的约束条件,针对GH4169高温合金,研究了表面完整性与磨削深度的关系,并运用表面完整性高效抗疲劳磨削技术,实现对其磨削参数的优化选择,从而实现GH 4169高效抗疲劳磨削,同时保证了其表面完整性。

参考文献

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(收稿日期2011-03-02)

作者简介:黄新春,(1983-),男,西北工业大学,现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,从事航空材料加工、表面完整性研究。

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