防弹衣式新型磨具磨削特性研究

李琳光，田业冰，韩金国，田承金，刘兵

(山东理工大学 机械工程学院, 山东 淄博 255049)

镍基高温合金材料具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度、抗蠕变强度以及优异的抗氧化、抗腐蚀性能，被广泛应用于航空航天领域内的发动机热端部件制造[1]。近年来，以选区激光熔融技术(Selective Laser Melting，SLM)为代表的高能束流快速增材制造技术的兴起，为镍基高温合金高端零部件制造提供了新的思路[2-3]。尽管增材制造技术突破了传统减材制造技术的束缚，但增材制造后的零部件存在表面缺陷明显、表面粗糙度高等一系列问题，不能直接满足应用需求，仍需进行后续表面处理[4-5]。

当前，常用的表面精加工技术主要包括精密车削、磨削、研磨、抛光[6]。由于车削主要应用于回转体零部件制造，在一定程度上限制了其应用范围；而研磨、抛光的材料去除率低，不能直接加工超粗糙表面。因此，磨削加工技术被广泛应用于难加工材料零部件的精密制造领域。但以镍基高温合金为代表的难加工材料在磨削过程中往往存在砂轮堵塞、磨削烧伤、表面完整性差等问题[7-9]。因此，国内外研究人员针对镍基高温合金高效精密磨削展开了大量的研究工作。杨路[10]采用碳纤维增强树脂基复合材料砂轮开展了镍基高温合金超高速磨削试验，其单位宽度的材料去除率可达8.4 mm3/(mm·s)，磨削比提高50%以上。Peng等[11]研制了一种加压内冷却砂轮，通过断续磨削与内部射流冷却的有效结合，优化了高温合金磨削过程中的传热效率，提高了工件的表面完整性。李峰等[12]利用强化感应加热辅助磨削的方法，实现了Inconel 718合金磨削残余应力的主动调控，获得了较小的表面残余拉应力与压应力分布，提高了其磨削质量。Dai等[13]采用立方氮化硼砂轮对Inconel 718合金开展了高效深磨实验研究，探究未变形切屑厚度与磨削温度、磨削烧伤的关系，确定了实验条件下未变形切屑厚度为0.65～0.75 μm，实现了对磨削烧伤的有效控制。如上所述，尽管当前对镍基高温合金磨削加工的研究颇多，但针对增材制造镍合金的磨削研究却相对较少。

针对选区激光熔融镍基高温合金磨削过程中的问题，本文拟研制一种基于液体防弹衣防弹原理的新型磨具，开展新型磨具磨削试验研究及磨具磨损研究，分析不同磨削时间下磨具的磨损状态，并利用扫描电子显微镜与金相显微镜观察试样加工前后及各加工阶段的表面形貌，对加工前后的工件表面质量进行分析。

1 新型磨具设计与制造

设计的防弹衣式新型磨具主要基于液体防弹衣的防弹原理，即在加工过程中，利用磨料层中磨粒的“团聚效应”，在高性能纤维的把持下完成对工件材料的去除。根据新型磨具的特性，对磨具的结构及主要组成成分进行设计。

图1为设计的防弹衣式新型磨具结构示意图。该新型磨具整体结构由磨具基体、磨料层、压紧块与螺栓四部分组成。磨具基体、压紧块材料选用强度较高、抗腐蚀性好的304钢，磨具基体的外径为40 mm，安装轴直径为12 mm，两侧对称加工有2个压紧块安装槽，在2个安装槽的底面各加工2个M3的螺纹孔用于磨料层安装；磨料层是新型磨具的关键组成部分，由剪切增稠液与磨料均匀分散制得的剪切增稠磨料体系与高性能经编间隔织物经一系列工艺制备而成。磨料层采用机械法固定在磨具基体上，具体过程为：将制备好的磨料层贴合在磨具基体表面，利用4枚M3内六角螺栓通过2块压紧块将制备好的磨料层张紧并固定在磨具基体上，完成防弹衣式新型磨具的组装。

图1 防弹衣式新型磨具结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the abrasive tool structure and processing principle

磨料层主要成分设计见表1。借鉴当前液体防弹衣的常用组成材料，高性能纤维织物选择Kevlar 29经编间隔织物；剪切增稠液选用性质稳定、增稠效果剧烈的SiO2/PEG体系，其中SiO2选用7～40 nm的亲水型气相纳米SiO2，PEG选用分子量较小的PEG200，以保证剪切增稠液具有良好的剪切增稠效果；磨料选择白刚玉磨料，纯度99.6%，平均粒径6.7 μm。

表1 磨料层成分设计Tab. 1 Abrasive layer composition design

磨料层的制备工艺如下：通过机械搅拌的方式将额定比例的亲水型气相纳米SiO2与PEG200进行充分分散，获得剪切增稠液，并将剪切增稠液真空干燥24 h；再称取额定比例的剪切增稠液与磨料，机械搅拌充分分散后获得剪切增稠磨料体系；利用酒精将制得的剪切增稠磨料体系进行稀释；将裁剪好的高性能纤维织物浸渍在剪切增稠磨料体系的稀释液中，浸渍完成后取出，鼓风干燥24 h后获得防弹衣式新型磨具磨料层。

2 试验装置及参数

2.1 试验材料

工件材料采用选区激光熔融方法制备的镍基高温合金Inconel 718试样，尺寸为10 mm×7 mm×3 mm。表2为Inconel 718合金在600 ℃条件下的材料性能参数。

表2 Inconel 718合金的材料性能参数Tab. 2 Performance parameters of Inconel 718 alloy

2.2 试验装置与加工条件

在VKN640数控加工中心上进行防弹衣式新型磨具磨削试验。VKN640数控加工中心是一台高速钻铣削机床，X、Y和Z轴上的分辨率为5 μm，最大主轴转速为12 000 r/min。

如图2所示，新型磨具通过刀柄安装在机床主轴上，工件粘结在预先磨削好的平行块上，再利用安装在工作台上的精密夹具进行工件的定位装夹，磨削试验前需使用千分表对装夹着工件的夹具进行定位调整，以保证工件表面与机床Y轴方向的整体平行度。

图2 试验装置 Fig. 2 Exerimental setup

磨削试验参数见表3。加工时，因新型磨具磨料层具有一定弹性，因此起始磨削深度设为180 μm，且前60 min每加工10 min，磨削深度下降10 μm；但磨具磨料层弹性有限，故60 min后不再提高磨削深度。

表3 磨削试验参数Tab. 3 Grinding experimental parameters

3 结果与讨论

3.1 工件表面形貌

图3为利用金相显微镜(Axio Lab A1，德国)观察到的选区激光熔融镍合金工件表面在不同加工时间下的表面形貌。如图3(a)所示：镍合金工件在磨削加工前，表面具有大量波纹，该波纹为增材制造沉积层，且沉积层的波纹度较大，表面粗糙不平，表面完整性较差；如图3(b)所示：在新型磨具磨削加工30 min后，大部分凸出的部分被磨除，少量内凹的波纹部分残留，镍合金材料表面质量较加工前有明显提高；如图3(c)所示：经过进一步的磨削加工后，材料表面的凹坑进一步减少，但表面仍然有少量缺陷存在。图3(d)所示的90 min的磨削加工后，镍合金表面的增材制造痕迹全部消失，表面仅留下磨削加工的较深纹理。加工后磨削纹理在一定范围内具有边缘特征，且存在规律性，这是由于Kevlar 29经编间隔织物的编织特征造成的。图3(e)中的工件表面形貌与图3(d)相似，说明在不提高磨削深度的前提下单纯增加磨削时间已不能消除产生的磨削纹理。

为了获取工件表面更多的微观形貌特征，使用环境扫描电子显微镜(Quanta250，美国)对加工前后的工件进行表面观测，检测前将工件置于乙醇中进行超声清洗。图4所示为使用环境扫描电子显微镜拍摄的磨削加工前后Inconel 718合金工件表面微观形貌图。

(a)t=0 (b) t=30 min

(c)t=60 min (d) t=90 min

(e)t=120 min 图3 金相显微镜在不同磨削时间所观测的表面形貌Fig. 3 Surface topography measured by metalloscope at various grinding time

磨削试验所用的镍合金工件表面存在规律的波浪纹路沉积层，整体表面高低不平，粗糙度较高(图4(a))；且工件表面存在较多颗粒粘附、孔洞等缺陷，表面质量较差(图4(b))。经过120 min的磨削加工后，大量规律的表面原始沉积层已经全部消失，加工后工件表面光洁度较高(图4(c))；工件表面原有的颗粒粘附、孔洞等缺陷已经全部消失，取而代之的是规则的磨削纹理(图4(d))。通过磨削前后工件表面形貌对比可知，磨削后的工件表面质量已经得到了很大的改善。新型磨具对选区激光熔融镍合金具有较好的加工效果。

(a)加工前表面 (b)加工前表面局部放大

(c)加工后表面 (d)加工后表面局部放大

3.2 工件表面粗糙度

图5为镍合金工件磨削过程中的表面粗糙度随加工时间的变化图，结合不同磨削时间下的镍合金工件表面形貌演变图3进行分析可知：在前10 min，工件材料表面的去除量较大、去除最明显，粗糙度Ra值由5.479 μm降至2.664 μm，粗糙度值变化较大；当磨削加工至60 min后，大量的表面沉积层被完全去除，表面粗糙度Ra达到0.608 μm；磨削加工至120 min，材料表面原有的沉积层被完全去除，表面仅存磨削加工纹理，表面粗糙度Ra基本稳定在0.600 μm左右。此时，磨削后的表面粗糙度与未磨削的初始值5.479 μm相比降低了约89%。

图5 表面粗糙度随时间的变化Fig. 5 Surface roughness curve with time

3.3 磨具表面形貌

(a)t=0 (b) t=30 min

(c)t=60 min (d) t=90 min

(e)t=120 min图6 不同磨削时间的磨料层表面形貌 Fig. 6 Surface topography of the abrasive layer at various grinding time

图6所示为磨料层在不同磨削时间的表面宏观形貌，磨削时间分别为0、30 min、60 min、90 min和120 min。在磨削加工前，磨料层初始颜色为黄色的织物原色，表面没有纤维损伤，表面均匀的一层白色颗粒为浸渍的剪切增稠磨料体系中的白刚玉磨料(图6(a))；磨削加工30 min后，磨具表面在纤维束经纬编织外凸处粘附着少量磨屑，部分区域颜色由原始的黄色变为黑色，纤维没有明显损伤(图6(b))；磨削加工60 min后，磨具表面在纤维经纬编织外凸处粘附的磨屑量逐渐增大，纤维损伤逐渐明显(图6(c))；在磨削加工90 min后，磨具表面在纤维束经纬编织外凸处粘有的磨屑较多，部分区域已经充满磨屑，纤维损伤较大(图6(d))；如图6(e)所示：至磨削加工120 min，磨具表面在纤维束经纬编织的外凸处粘附大量的磨屑，较多区域已经充满磨屑，颜色完全变黑，纤维损伤较为严重，磨损良好的区域已经出现了明显的纤维拉伸、断裂，而磨损严重的区域则表现出了严重的纤维损伤特征，且纤维抽丝断裂后导致经纬编织特征消失，出现了整体性的纤维单向损伤，损伤方向与加工方向一致。

在宏观观察的前提下，利用环境扫描电子显微镜对各阶段磨料层纤维的磨损情况进行了微观观测，因为磨料层纤维不具备导电性，因此在观测前采取了镀铬处理。图7(a)为Kevlar 29经编间隔织物的纤维形貌，纤维表面光滑，无抽丝、断裂等显著缺陷，且纤维方向一致性良好；图7(b)为浸渍剪切增稠磨料体系的磨料层在磨削加工前的纤维表面形貌，Kevlar 29经编间隔织物纤维表层及纤维间浸渍着大量的剪切增稠磨料体系，体系中的白刚玉磨粒在纤维间及纤维表层广泛分布且分布均匀；由图7(c)可以发现：磨料层在加工60 min时纤维与纤维之间浸渍的剪切增稠磨料体系已经出现了絮凝现象，且出现少量块状絮凝物，经分析，絮凝物中除原有的亲水型气相纳米SiO2与白刚玉磨料外，还混入了部分磨屑，磨具纤维开始出现损伤变形，但磨损状态良好；由图7(d)可见：磨料层在加工120 min后，纤维与纤维之间浸渍的剪切增稠磨料体系絮凝情况严重，大量磨屑混入磨料层的剪切增稠磨料体系之中，磨具纤维损伤加重，纤维表面已经出现大量的断裂抽丝，磨具磨料层的整体纤维磨损情况较为明显。

(a)纯kevlar纤维 (b)t=0

(c)t=60 min (d)t=120 min图7 不同磨削时间下磨料层的SEM形貌变化Fig. 7 SEM micrograph of abrasive layer at various grinding time

4 结论

针对高能束流增材制造难加工材料零部件的加工质量要求，设计了一种基于剪切增稠磨料体系与Kevlar经编间隔织物的防弹衣式新型柔性复合磨具，确定了新型磨具的组织成分和制造工艺。以选区激光熔融镍合金Inconel 718为加工对象进行了磨削试验，得出如下结论：

1) 在磨具转速1 000 r/min、进给速度300 mm/min和初始磨削深度180 μm的磨削参数下，工件的表面粗糙度在120 min内从初始的5.479 μm下降至0.600 μm左右，表面粗糙度值降低了约89%。

2) 金相显微镜和环境扫描电子显微镜对工件加工前后的表面形貌观测结果表明：加工后的工件表面原有的沉积、孔洞缺陷基本消失，仅存后处理的磨削纹理，且无磨削烧伤现象，验证了新型磨具磨削选区激光熔融Inconel 718合金的有效性。

3) 对新型磨具磨料层各加工阶段表面形貌的观测结果表明：磨削加工后，磨具磨料层表面存在纤维变形、断裂现象，并随磨削时间的增大不断增多，且磨料层中粘附有大量磨屑。

本研究设计制造的防弹衣式新型磨具的材料去除模型与磨削力等方面的研究工作仍需进一步开展。