一种难加工材料振荡磨削加工方法与流程

本发明涉及一种难加工材料振荡磨削加工方法，尤其是在保证磨削效率的基础上，一种显著提升镍基高温合金、钛合金等难加工材料的磨削表面质量的方法，属于机械加工领域。

背景技术

镍基高温合金和钛合金等材料因其优异的高温强度、高热稳定性、抗蠕变、抗疲劳、抗腐蚀等能力，被广泛应用于制造航空发动机，如压气机室、燃烧室、涡轮叶片、涡轮盘等零部件。但优异的材料性能给机械加工带来了诸多难题，致使镍基高温合金和钛合金等成为典型的难加工材料，磨削是加工这些发动机零部件主要的制造方法之一，并常作为最后一道工序，用以保证高的加工表面质量。然而，在磨削过程中，高的磨削温度以及由此导致的突发性磨削烧伤，加剧了工具的磨损，降低了磨削表面质量，这一直是令人头痛的问题。

避免镍基高温合金、钛合金等难加工材料磨削烧伤的方法通常是降低磨削工艺参数值，即：采用低的磨削速度、小的磨削深度和低的磨削进给速度，同时加大冷却液喷射流量和喷射速度。但是，由此容易导致磨削效率低下和磨削经济性不佳，对于推广磨削工艺应用起到负面作用。因此，针对现有镍基高温合金、钛合金等难加工材料磨削难点，开发新型磨削工艺，借此提高磨削工具寿命、磨削效率和磨削表面质量具有十分重要的意义。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种难加工材料的振荡磨削加工方法，在保证磨削效率的基础上，显著提升镍基高温合金、钛合金等难加工材料的磨削表面质量。

技术方案

本发明提出的一种难加工材料振荡磨削加工方法，首先，确定磨削过程中达到或接近临界烧伤磨削温度时，磨削热源需要移动的距离作为特定磨削长度；其次，在所述特定磨削长度范围内使用缓进深切磨削工艺进行磨削；随后，在所述特定磨削长度范围内，采用快速往复磨削工艺，所用磨削深度与所述缓进深切磨削工艺的相同，砂轮进行往返磨削运动；当砂轮返回至未加工表面时，在所述特定磨削长度范围内，再次使用所述缓进深切磨削工艺进行磨削；如此往复，形成振荡磨削过程，具体步骤如下:

(1)确定缓进深切磨削工艺参数

根据选择的难加工工件材料和磨削条件，选择磨削表面临界烧伤或者发生烧伤时的一组缓进深切磨削工艺参数，作为选用工艺参数，所述的缓进深切磨削工艺参数包括磨削速度1、磨削深度1、磨削进给速度1。其中，所述的难加工工件材料是镍基高温合金或者钛合金。

(2)确定特定磨削长度

按照步骤(1)中选择的缓进深切磨削工艺参数，由式(1)可得磨削温度与热源移动距离之间的关系：

式(1)中，θ为温升；qm为热源强度；i为可查表获得的函数映射关系；x为热源距离；c为比热容；ρ为密度；a为热扩散率；vw为磨削进给速度；l为磨削弧长；

从而确定磨削过程中达到或接近临界烧伤磨削温度时，磨削热源需要移动的距离；选择小于该移动距离的长度作为特定磨削长度l。

(3)确定磨削路径

在步骤(2)确定的特定磨削长度l范围内，进行快速往复磨削运动，当砂轮行走至未加工表面时，恢复使用步骤(1)中缓进深切磨削工艺参数进行磨削；当磨削行走特定磨削长度l时，砂轮开始往回走，对已加工表面做快速往复磨削运动，如此形成振荡光磨的磨削路径。

其中，快速往复磨削运动的工艺参数为磨削速度2、磨削深度2、磨削进给速度2。其中，磨削速度2＝磨削速度1，磨削深度2＝磨削深度1，磨削进给速度2>磨削进给速度1。

(4)评定磨削表面质量

对磨削表面质量进行检测和评定。磨削表面质量的评定参数有：磨削表面形貌、粗糙度、残余应力以及砂轮磨损。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明在磨削过程中，尽管磨削深度较大，但利用特定的磨削长度有效避免了磨削过程中出现的磨削烧伤。综合使用扫描电镜、表面轮廓检测仪、残余应力检测仪等工具对磨削表面质量评价指标进行检测。然后综合对比和评定磨削表面形貌、粗糙度、残余应力以及砂轮磨损等结果，表明采用本发明磨削加工方法，磨削表面未发生烧伤，磨削表面质量好，砂轮寿命得到提升。同时，由于对磨削表面采用步骤(3)中确定的工艺参数进行多次光磨，因此可以获得低残余应力磨削表面和高的表面完整性。

附图说明

图1镍基高温合金磨削加工试验现场图；

图2磨削温度与磨削长度的关系；

图3振荡磨削过程示意图；

图4传统加工方法造成的磨削烧伤表面微观形貌图示，可见明显材料撕裂、粘附、污点等缺陷；

图5本发明加工方法磨削表面微观形貌，可见加工纹理清晰整齐均匀，未发现明显表面缺陷。

具体实施方式

下面结合附图和实施例加以详细说明。在磨削过程中，镍基高温合金、钛合金等难加工材料磨削表面容易产生烧伤，磨削表面质量不稳定，通过控制磨削形式及磨削过程，可实现提高磨削表面质量。

实施例1

一种难加工材料振荡磨削加工方法，具体步骤如下：

步骤一：确定缓进深切磨削工艺参数

选定工件材料为镍基高温合金gh4169，冷却液为水基乳化液，砂轮为刚玉砂轮，砂轮直径为400mm，磨床为高速数控磨床，磨削试验现场如图1所示。试验过程包括：

(1)清洗工件；

(2)装夹；采用夹具将镍基高温合金工件装夹于数控磨床工作台；

(3)砂轮修整；采用单颗粒金刚石修整笔对刚玉砂轮表面进行修整，砂轮修整参数为：砂轮速度20m/s，轴向修整进给速度300mm/min，径向修整量0.01mm/st，总修整量0.2mm。

选取镍基高温合金缓进给磨削烧伤发生时的一组工艺参数为：磨削速度25m/s，磨削深度1.5mm，磨削进给速度240mm/min。镍基高温合金缓进深切磨削过程中，磨削弧区临界烧伤点磨削温度为130℃。本实施例中，由式(1)可得磨削热源需要移动的距离约为8mm。

式(1)中，θ为温升；qm为热源强度；i为可查表获得的函数映射关系；x为热源距离；c为比热容；ρ为密度；a为热扩散率；vw为磨削进给速度；l为磨削弧长。

步骤二：确定特定磨削长度

磨削过程中，如图2所示，磨削温度变化可分为两个阶段：首先是由室温到稳态磨削温度的过程；其次是由稳态磨削温度到达临界烧伤或完全烧伤磨削温度的过程。每个阶段对应于各自的磨削长度。那么，在磨削表面发生烧伤之前的磨削长度，均可作为特定磨削长度。本实施例中未发生烧伤时，依据步骤一热源移动距离，可选择适用于缓进深切磨削的特定磨削长度为4mm。

步骤三：确定磨削路径

本实施例中，快速往复磨削工艺参数为:磨削速度25m/s，磨削深度1.5mm，磨削进给速度800mm/min。具体磨削路径如图3所示，砂轮首先沿ab段做缓进深切磨削运动；随后，砂轮在bc段沿已加工的磨削表面，做快速往复磨削运动；当砂轮行进至或接近c点时，即在cd段，砂轮恢复至缓进深切磨削运动；在de段，砂轮恢复做快速往复磨削运动；在ef段，砂轮又采用同样的缓进深切磨削参数运动；在fg段，砂轮采用同样的快速往复磨削参数运动…，如此振荡往复加工，直至磨削过程结束。其中，磨削路径ab＝cd＝ef＝…，在该段路径中，砂轮均做缓进深切磨削运动，磨削工艺参数均为磨削速度25m/s，磨削深度1.5mm，磨削进给速度240mm/min。磨削路径bc＝2ab，de＝2(ab+cd)，fg＝2(ab+cd+ef)…，在该段路径中，砂轮均做快速往复光磨运动，磨削工艺参数均为磨削速度25m/s，磨削深度1.5mm，磨削进给速度800mm/min。

步骤四：评定磨削表面质量

综合采用扫描电镜、表面轮廓检测仪、残余应力检测仪等工具，对传统加工方法和本发明加工方法获得的磨削表面进行质量检测。其中，传统加工方法磨削烧伤表面形貌如图4所示，可见明显材料撕裂、粘附、污点等缺陷；采用本发明磨削加工方法表面微观形貌如图5所示，可见表面加工纹理清晰、整齐均匀，未发现明显表面缺陷。对于磨削表面粗糙度、磨削表面残余应力和砂轮径向磨损量，每项测试三组，具体数值见表1。

表1磨削表面粗糙度、磨削表面残余应力和砂轮径向磨损量试验结果

由此可见，采用本发明加工方法磨削镍基高温合金，表面粗糙度值均小于0.5μm，残余应力值在179-208mpa且均为压应力，砂轮磨损程度得到减缓，提高了砂轮寿命，优势明显。

因此，采用本发明加工方法磨削镍基高温合金等难加工材料，既可由缓进深切磨削工艺和快速往复磨削工艺保证磨削效率，提高砂轮寿命；又可由快速往复光磨过程保证磨削表面质量，因此可以获得低残余应力、高表面完整性的磨削加工表面。