微尺度磨削主要指使用直径小于1 mm的微型磨棒对材料直接进行机械去除加工获得所需形貌，其主要用于微型零件及微特征的加工^[1,2,3,4].

镍基高温合金不仅有良好的蠕变强度,还有优良的高温强度和高温抗氧化能力，被广泛应用于航空、宇航及船舶工业中，如：火箭发动机、航空发动机、小型航天器、工业燃气轮机的叶片及涡轮传动轴等热端部件，是一种典型的难加工材料.高温合金构件的最终服役表面为磨削表面，而磨削表面的质量直接影响构件的使用性能.国内外对高温合金的磨削进行了一些研究工作，如： Aspinwall等^[5]采用电镀CBN砂轮磨削镍基高温合金，获得了粗糙度为750 nm的加工表面；Balan等^[6]研究了半干式磨削中油雾参数对磨削Inconel 751高温合金的影响，获得了表面形貌光滑的磨削表面；Guo等^[7]分析了加工参数和刀具磨损对磨削过程的影响；傅玉灿等^[8]研究了单颗磨粒高速磨削镍基高温合金的切屑形成过程，在获得最大未变形磨削深度的同时分析了转速与磨屑形状的关系.黄新春等^[9,10]研究了磨削参数对磨削过程的影响，建立了磨削GH4169的表面粗糙度的经验公式，并对各磨削参数进行了优选.但是，就目前检索的文献来看，对镍基高温合金的微尺度磨削还鲜有报道.镍基高温合金导热性差，因此磨削过程中磨削温度高、磨削力大，容易造成砂轮堵塞和磨损.另外，微米级的高温合金零件及微特征的磨削过程已不是常规尺度磨削工艺的成比例缩小，而受到尺度效应的强烈影响，表现出传统磨削理论无法解释的现象和特点.

本文针对镍基高温合金微型零件越来越广泛的应用前景，对典型镍基高温合金K445的微尺度磨削进行了深入研究.首先通过正交分析方法优化出合理的微磨削工艺方案，然后深入分析了各磨削参数对磨削表面质量的影响.

实验材料：典型镍基高温合金K445.实验机床：JX-1型精密微磨削机床，机床主轴最高转速60 000 r/min，x/y/z轴工作行程490 mm/490 mm/120 mm，最高进给速度9 m/min.微磨具：刀柄直径3 mm、磨头直径0.9 mm、表层电镀500^#磨粒.磨削表面粗糙度在三维表面轮廓仪上测量.

实验首先选取对微磨削过程有重要影响的主轴转速、磨削深度、进给速度三个因素五个水平进行正交试验，进给速度f_m(μm/s)取20(A₁)，40(A₂)，100(A₃)，200(A₄)和300(A₅)；磨削深度a_p(μm)取3(B₁)，6(B₂)，9(B₃)，12(B₄)和15(B₅)；主轴转速n_g(×10³ r/min)取18(C₁)，28(C₂)，38(C₃)，48(C₄)和58(C₅).正交试验方案设计见表 1.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 微尺度磨削正交试验表 Table 1 Orthogonal test table of micro-grinding 编号 主轴转速 磨削深度 进给速度 表面粗 糙度 Ra/nm 1 C 1 B 1 A 4 881 2 C 1 B 2 A 3 895 3 C 1 B 3 A 2 945 4 C 1 B 4 A 1 654 5 C 1 B 5 A 5 751 6 C 2 B 1 A 3 797 7 C 2 B 2 A 2 656 8 C 2 B 3 A 1 661 9 C 2 B 4 A 5 672 10 C 2 B 5 A 4 696 11 C 3 B 1 A 2 702 12 C 3 B 2 A 1 496 13 C 3 B 3 A 5 732 14 C 3 B 4 A 4 918 15 C 3 B 5 A 3 788 16 C 4 B 1 A 1 538 17 C 4 B 2 A 5 725 18 C 4 B 3 A 4 567 19 C 4 B 4 A 3 792 20 C 4 B 5 A 2 613 21 C 5 B 1 A 5 614 22 C 5 B 2 A 4 679 23 C 5 B 3 A 3 742 24 C 5 B 4 A 2 476 25 C 5 B 5 A 1 671

表 1 微尺度磨削正交试验表 Table 1 Orthogonal test table of micro-grinding

K445镍基高温合金微磨削各正交试验方案对应的加工表面粗糙度值R_a如表 1所示.

微尺度磨削加工表面粗糙度值极差分析如表 2所示.∑M_i表示某一因素在同一参数水平下的加工表面粗糙度值之和；N_i表示某因素在同一水平下粗糙度值的平均值，N_i=(∑M_i)/n，n为正交试验表中某一因素同水平下的实验次数；R表示各因素在同一水平下粗糙度值的极差：

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 实验结果极差分析 Table 2 Range analysis of the test results 因素 磨削表面粗糙度/nm A B C ∑ M 1 3 020 3 532 4 126 ∑ M 2 3 392 3 451 3 482 ∑ M 3 4 014 3 647 3 636 ∑ M 4 3 741 3 512 3 235 ∑ M 5 3 494 3 519 3 182 N 1 604.0 706.4 825.2 N 2 678.4 690.2 696.4 N 3 802.8 729.4 727.2 N 4 748.2 702.4 647.0 N 5 698.8 703.8 636.4 R 198.8 39.2 188.8 因素主次 ACB 最优方案 A1C5B2

表 2 实验结果极差分析 Table 2 Range analysis of the test results

R反映了粗糙度值的变动幅度，R越大，该因素对加工表面粗糙度的影响越大.由表 2可知，在此微尺度磨削实验中，进给速度对微磨削K445高温合金的表面粗糙度影响最大，主轴转速次之，磨削深度的影响最小.优化出的工艺组合为A₁C₅B₂.对此方案进行了5次重复实验，测得表面粗糙度值为462 nm，通过对比得知，A₁C₅B₂方案最优.

当研究某一因素的影响时，将其他因素水平固定，通过变换某一参数总结出进给速度、主轴转速、微磨棒悬伸量和磨削深度对微磨削K445表面粗糙度的影响规律.

由图 1a可知，进给速度越高，微磨削表面粗糙度越大.进给速度大，磨削效率高，但当进给速度增大时，磨削力也显著增大，可能导致磨棒来不及排屑，磨屑黏附在磨粒的尖峰上；随着时间的推移，磨屑堆积、长大，将磨粒间隙堵塞，磨棒变钝，磨削力和磨削热剧增，甚至出现微磨棒表层电镀CBN磨粒脱落，造成磨棒破损，从而显著影响磨削表面粗糙度.如图 1b和图 1c所示，进给速度越高，微磨棒堵塞就越严重，磨粒变钝得越厉害，造成磨削加工困难，影响磨削加工过程材料的去除，导致磨削表面粗糙度值变大.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 进给速度对表面粗糙度的影响 Fig. 1 Influence of feeding speed on surface roughness (a)—粗糙度值变化曲线； (b)—fm=2 μm/s;(c)—fm=300 μm/s.

由图 2a可知，随着主轴转速的提高，加工表面粗糙度值逐渐减小.分析其原因是：转速越高，微磨棒上的磨粒线速度越高，单位时间内参与磨削的磨粒数量增加，单个磨粒的切削厚度减小，塑性变形的传播速度小于磨削线速度，材料来不及变形就已经被磨粒切削，同时磨屑在瞬间被切离加工区域，大部分磨削热被磨屑带走，大大减小了磨削力和积屑瘤出现的可能性；而转速低时，加工表面粗糙，切屑不能及时排除，甚至在表面出现堆积，如图 2b，图 2c所示，影响加工表面质量.但在转速增大过程中，相邻两点间粗糙度值对转速的斜率越来越小，如图 2a所示，表明当主轴转速增大到一定值时，主轴转速的变化对加工表面粗糙度的影响越来越不明显，同时过高的转速可能引起机床主轴的振动；因此，在对镍基高温合金进行微磨削的实际生产中，可适当提高机床主轴转速，以获得较好的表面质量.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 主轴转速对表面粗糙度的影响 Fig. 2 Influence of spindle speed on surface roughness (a)—粗糙度值变化曲线； (b)—nG=18×103 r/min; (c)—nG=58×103 r/min.

传统大尺度加工时，若增大刀具的悬伸量，势必会使刀具的刚度降低，可能会引起微米级的刀具跳动量.微米级的刀具跳动量对大尺度加工影响不大，甚至可以忽略；但在微尺度磨削过程中，磨棒的整体尺寸与传统砂轮相比非常小，同样的刀具跳动量与微磨棒直径的比值较大，尤其对于K445镍基高温合金这种难加工材料，刀具悬伸量的差异对磨削质量的影响不可忽略，如图 3所示.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 微磨棒悬伸量对表面粗糙度的影响 Fig. 3 Influence of overhanging length of micro-grinding tool on surface roughness

由图 3可知，随着刀具悬伸量的变化，K445表面粗糙度先减小后增大.原因是，当微磨棒悬伸量过小时，主轴转动和外界干扰引起的振动很容易传到微磨棒上，从而影响加工表面质量，此时主轴转动和外界干扰对加工的影响大于微磨棒刚度变化的影响.当刀具悬伸量过大时，在刀柄径向跳动量一定的情况下，传递到微磨棒尖端的径向跳动变大，造成加工表面质量变差.

由图 4a可知，磨深从3 μm增加到15 μm的过程中，表面粗糙度先减小后增大，磨深为3 μm的粗糙度值高于磨深为6 μm时的粗糙度值；磨深从6 μm增大到15 μm的过程中，加工表面粗糙度值逐渐变大；当磨深为6 μm时，表面粗糙度值达到最小.产生这种现象的原因是：在微尺度磨削过程中，当磨削深度减小到一定程度时，微磨粒切刃就有可能只是对工件材料进行摩擦和挤压，而只有少量甚至没有材料被去除，加工表面在磨削过后出现较大的弹性恢复，而导致微磨削表面质量变差.另外，由于镍基高温合金属于典型的难加工材料，材料黏性较大，在较低磨深情况下，容易造成磨粒切刃处形成积屑瘤和磨粒之间堵塞，影响了材料的去除.随着磨削深度增大，微磨削过程中磨削力和磨削温度升高，磨削表面塑性变形大，导致微磨棒排屑困难，从而导致在较大磨深时加工表面出现一定的烧伤，引起粗糙度值增大.图 4b~图 4e分别显示了切深为3，6，12和15 μm时微磨削的表面形貌：图 4b中表面纹理已经发生变化，可以判断出加工表面出现了较大的塑性变形及弹性恢复；图 4c加工表面磨削纹理清晰，塑性变形小，产生的划痕较浅，表面质量良好；图 4d和图 4e表面凹凸不平，凹坑及划痕较深，也出现了较大的弹性恢复，表面质量较差.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 磨削深度对表面粗糙度的影响 Fig. 4 Influence of grinding depth on surface roughness (a)—粗糙度值变化曲线； (b)—ap=3 μm; (c)—ap=6 μm； (d)—ap=12 μm; (e)—ap=15 μm.

1) 利用正交试验方案，使用磨头直径为0.9 mm、表面镀层磨粒为500^#CBN的微磨棒对K445镍基高温合金进行微磨削加工，根据极差分析结果得出，进给速度对加工表面质量影响最大，主轴转速的影响次之，磨深的影响最小.微磨削优化工艺参数组合：进给速度20 μm/s、切削深度6 μm、主轴转速58×10³ r/min，此时的加工表面粗糙度值为462 nm.

2) 通过单因素实验分析得出：①K445镍基高温合金的微磨削表面粗糙度随主轴转速的升高而降低，转速低时会出现积屑瘤，实际加工中可适当提高主轴转速；②磨深从3 μm增大到15 μm的过程中，粗糙度值先减小后增大，磨深为6 μm时的加工表面形貌最光滑，粗糙度值最小；③进给速度从20 μm/s增大到300 μm/s过程中，粗糙度值逐渐增大，当进给速度较大时，砂轮出现了严重的堵塞情况；④微磨棒悬伸量对磨削表面有一定的影响，加工过程中悬伸量不能太长也不能太短，悬伸量为18 mm时，获得的粗糙度值最小.