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]。

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