3 ВЖЛ1磨削性能的实验

1. 实验条件
   试件：43.5×25×240mm铸件；实验磨削面尺寸：磨削长度l=43.5mm，磨削宽度b=10.0mm；加工设备：液压万能工具磨床MYA6025，内圆工具磨床MD215。
   磨具材料：平磨125×32×15粒度100#CBN砂轮(浓度100%)，125×32×15粒度180#CBN砂轮(浓度100%)，125×32×15粒度80#白刚玉砂轮；内圆磨f10粒度120#CBN砂轮，f10粒度180#CBN砂轮(浓度100%)。
   测试仪器采用Kistler压电三向动态测力仪9257B，Kistler电荷放大器5007，数据采样系统采用12位A/D接口卡，486微机，数据采集处理软件系统。
2. 实验方案
   1. 磨削正交实验中，依据二因素三水平正交实验方案(见表2)用180#CBN砂轮进行磨削。 表2 磨削正交实验及结果实验号 F_{r
      mm Vs
      m/s Ft
      N Fn
      N 1 0.01 17.52 17.45 27.21 2 0.01 25.96 12.60 23.22 3 0.01 32.45 7.97 15.64 4 0.02 17.52 30.02 45.56 5 0.02 25.96 23.05 39.46 6 0.02 32.45 15.72 25.74 7 0.03 17.52 42.69 62.30 8 0.03 25.96 33.84 55.45 9 0.03 32.45 25.92 44.49}
   2. 磨削力随磨削过程变化实验方案，分别用新修整过的WA 80#、CBN 100#、CBN 180#砂轮进行实验，记录实验的磨削力。方式：逆磨，实验次数：80～100次，参数：V_{s=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。}
   3. 修整方案，先进行修圆，采用金刚石笔修整法。白刚玉砂轮修整参数为：粗修V_{s=25.8m/s，Fr=0.02mm，Fa=1mm/s，2次；精修Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，Fa=1mm/s，2次；光修Vs=25.8m/s，Fr=0mm，Fa=1mm/s，2次；CBN砂轮的修整方案为：精修Vs=25.96m/s，Fr=0.01mm，Fa=1mm/s，4次；光修Vs=25.96m/s，Fr=0mm，Fa=1mm/s，2次。}
   4. 内圆磨削工艺实验
      分别采用外径为f10的CBN120#和CBN180#的内圆磨砂轮对内孔径为f10的试件进行磨削工艺实验，磨削砂轮的转速为24000r/min，加切削液，测定粗糙度进行比对，然后检验加工质量，作为实际生产中的应用依据。
3. 磨削力经验公式
   通过采用正交实验和多元线性分析可以得到磨削力经验公式为 F
   _{t=10^{4.32Fr0.924Vs-1.003
   Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741}}
   式中F
   t、Fn的单位为N，Fr的单位为mm，Vs的单位为mm/s。受实验条件的限制，把平台的移动速度固定为VW≈0.67m/min。

   图1 进给量对磨削切向力的影响示意图
   图2 进给量对磨削径向力的影响示意图
   图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化
   图4 采用CBN100#磨料时磨削力随磨削过程的变化
   图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化

   根据磨削力经验公式和进给量对磨削力的影响示意图(见图1、2)可以看出，用CBN 180#磨削ВЖЛ1的过程中，磨削力并不大，它随进给量F
   _{r的增大而增大，随砂轮磨削速度的增大而明显降低，因此进给量对磨削力影响十分显著。}
4. 磨削力随磨削过程变化的结果分析
   1. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程
      变化过程曲线如图3所示。图中分别伴随以F
      _{t、Fn的曲线为Ft和Fn的趋势线。在用刚玉砂轮进行加工的过程中，磨削力一直增大，在全部磨削过程中伴随有较严重的粘附现象，相当于一个磨损钝化的砂轮在磨削时，有时会因部分磨粒的脱落而使磨削力在一段时期内下降，到最后阶段砂轮的表面基本都被磨削材料覆盖，造成粘附的金属与被磨零件表面接触，因此Fn方向的力急剧增加，而Ft方向的力由于变成了滑动摩擦，故而变化不大。}
      虽然用刚玉砂轮磨削时磨削力不断增加，但在80次以前磨削力并不大，说明刚玉砂轮材料在少量磨削的情况下还是比较锋利的，效率较高，但在大量磨削情况则不易采用。
   2. CBN 100#磨削加工时磨削力的变化变化过程的曲线如图4所示，图中分别伴随以F_{t、Fn的曲线为Ft和Fn的趋势线。由图可见，用刚修整过的砂轮磨削时，初期磨削力相对较小，随后磨削力迅速增至最大值，达到一定磨削力后再继续磨削，磨削力又有一定程度的降低，并达到一个较长的稳定阶段。工艺系统弹性变形使刀及刚修过的砂轮表面容易脱落，磨削力降低，实际磨削深度增大。由于砂轮表面磨粒数已基本稳定，磨粒迅速钝化，当磨削力不断增大到超过粘结剂及磨粒所能承受的程度时，磨粒开始脱落，使参与磨削的有效磨粒数减少，因而磨削力又有一定程度的下降，在降到一定程度后开始达到稳定状态，稳定状态开始的次数约为20～30次。CBN砂轮的稳定状态较长，说明CBN砂轮的耐磨性较好，磨粒不易磨钝。}
   3. 磨削加工时磨削力的变化
      如图5所示，变化过程的曲线中同样伴随线为F
      _{t、Fn的趋势线。由图可见，用CBN180#砂轮磨削时的磨削过程变化与CBN100#磨削过程基本相同。不同的是，CBN180#砂轮磨削力要小得多，这主要是磨削过程中磨粒更容易脱落，使得参与磨削的磨粒数减少，因此磨削力小。}
5. 砂轮的磨削及磨损状况
   1. 砂轮的表面状况
      在磨削高温合金的过程中都伴随一定的粘附。刚玉磨料的粘附较为严重，原因是用刚玉磨削时，诸如Cr
      _{2O3、Al2O3等均属六方系统，有a-Al2O3结构，其点阵参数相近，会使Al、Cr、Ti等通过其表面氧化物与刚玉形成较强的粘附，只要用刚玉磨削高温合金，不管采取多大的磨削用量都会发生粘附；增大磨削深度ap会导致磨削力和磨削温度增大，粘附会相应增加。用CBN磨料磨削时，只有轻微的粘附现象，由于CBN砂轮的自锐性比较好，故两种砂轮的磨削力可以保持长期稳定阶段，说明了CBN砂轮对ВЖЛ1材料有良好的磨削性能。}
   2. 砂轮的磨损
      用几种磨料磨削ВЖЛ1的磨削比如表3所示。用白刚玉或单晶刚玉磨削高温合金的磨削比通常比较低，而CBN100#砂轮在相同条件下有较高的磨削比，说明其磨削性能好；CBN180#砂轮磨削比较低，说明其良好的自锐性使表面的粘附少，适于对ВЖЛ1的精加工。
      
      表3 磨削比磨料 WA80# CBN100# CBN180# 磨削比(G) 1.174 8.92 1.11 注：磨削条件V
      _{s=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。}
6. 磨削表面加工质量
   磨削表面粗糙度与砂轮的单位面积磨粒数、磨粒分布及切削痕迹有关。在本次实验的粗糙度测试中，在相同条件下用三种磨料分别对高温合金ВЖЛ1和K24进行磨削，其磨削情况的对比见表4。对高温合金的有进给平磨磨削中，CBN砂轮的磨削质量没有明显的改善，尤其在使用CBN180#的加工中，表面质量有所下降，说明在有进给加工中磨削效果较差，建议在生产中的最后精加工工序中采用精磨或无进给光磨，以提高其表面质量。 表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm) 高温合金 磨料 WA80# CBN100# CBN180# ВЖЛ1 1.06 1.0 1.93 K24 1.01 0.886 1.43
7. 内圆磨削工艺实验结果及分析
   在ВЖЛ1内圆磨削时，为应用CBN砂轮提供实验依据和经验加工参数，特别用两种CBN砂轮对孔径为f的试件进行了工艺实验，实验结果见表5。从表中可以看出，用CBN内圆磨砂轮加工ВЖЛ1高温合金表面质量良好，粗糙度有明显的改善(<0.7)，建议采用的磨削速度为24000～30000r/min。
8. 磨削加工中磨削液的选择 表5 内圆磨实验的表面质量实验号 Ra (µm) a 3.72 b 1.35 c 0.70 d 0.168 注：a——未经加工的试件，b——用CBN120#粗加工的试件，c——在实验b基础之上用CBN180#加工的试件，d——在实验c基础之上进行研磨抛光的试件，磨削条件为：加磨削液，加工速度为24000r/min。
   由于高温合金的导热性能较差，磨削时传入工件热量的百分比较低，磨削中产生的大量热量集中在极薄的磨削表面层，因而磨削温度很高，易使表面烧伤，产生烧伤裂纹，当表面金属收缩时，受内部金属的牵制，使磨后工件表面呈有害的拉应力，磨削精度降低，因此磨削时应注意在切削液充足的条件下进行，以便带走较多的切削热及冲洗试件和砂轮表面，从而获得较好的磨削质量。一般采用油基磨削液喷注冷却，以减少砂轮阻塞。
9. 磨削用量的合理选择
   在高温合金ВЖЛ1的磨削加工中，一般采用较小的磨削余量、适中的工件速度和中等偏上的砂轮速度。磨削所留的余量应该比磨削碳钢时小一些，以减小磨削工作量，粗磨时一般留0.15～0.3mm，精磨时留0.03～0.05mm。实验表明，砂轮的线速度在25～30m/s左右时加工效果较好，也可采用高速磨削(40～60m/s)，这样金属切除率和磨削比将大大提高，但必须具备相应的设备和技术措施。工件速度对磨削烧伤影响较大，磨削高温合金时应适当提高工件速度，但不宜过高，否则会引起自激震荡。

4 结语