第３０卷第１７期
中国机械工程
V o l ．３０㊀N o ．１７２０１９年９月
C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N G
p p
．２０４４Ｇ２０５０机器人砂带磨削G H ４１６９镍基高温合金
表面完整性研究
段㊀练１,２
㊀黄㊀云１,２㊀邹㊀莱１,２
１．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆,４０００４４
２．重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心，重庆,４０００２１
摘要：采用机器人夹持G H ４１６９镍基高温合金来进行砂带磨削试验.对试验装置进行了设计和分
析，以确保砂带磨削过程中的磨削压力稳定；采用正交试验获得砂带磨削G H ４１６９时的磨削深度；采用单因素试验确定砂带线速度和磨削压力对G H ４１６９表面完整性的影响规律.试验结果表明:
采用粒度为８０号的陶瓷磨粒砂带加工G H ４１６９时，其表面粗糙度在０．６~０．７μm 范围内,
且随着砂带线速度的增大而减小，随着磨削压力的增大而增大，表面硬度在４３０~４８５H V 范围内,
表面残余应力均为残余压应力，其值在－４１０~－６０M P a 范围内
.
关键词:G H ４１６９镍基高温合金;
砂带磨削；磨削深度；表面完整性中图分类号:T H １６１．１４
D O I :１０．３９６９/j
．i s s n ．１００４ １３２X．２０１９．１７．００５开放科学(资源服务)标识码(O S I D )
:R e s e a r c ho nS u r f a c e I n t e g r i t y o fG H ４１６９N i c k e l Ｇb a s e dS u p e r a l l o y s b y
R o b o t i cB e l tG r i n d i n g
D U A N L i a n １,
２㊀HU A N G Y u n １,
２㊀Z O U L a i
１,
２
１．T h eS t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g
,４０００４４２．C h o n g q i n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o rM a t e r i a l S u r f a c eP r e c i s i o n M a c h i n i n g a
n d W h o l e S e tE q u i p m e n t ,C h o n g q
i n g ,４０００２１A b s t r a c t :T h eb e l t g r i n d i n g t e s t s o fG H ４１６９n i c k e l Ｇb a s e ds u p e r a l l o y sw e r e c a r r i e do u t b y r
o b o t ．T h e t e s t e q u i p m e n tw a s d e s i g n e d a n d a n a l y z e d t o e n s u r e t h e s t a b i l i t y o f g r i n d i n g p r e s s u r e s ．T h e g r i n d Ｇi n g d e p t h s o f G H ４１６９w e r e o b t a i n e d b y o r t h o g o n a l t e s t s d u r i n g t h e b e l t g r i n d i n g p r o c e s s e s ．S i n g l e f a c Ｇt o r t e s t sw e r eu s e d t o d e t e r m i n e t h e e f f e c t s o f b e l t l i n e a r s p e e d s a n d g r i n d i n gp r e s s u r e s o n t h e s u r f a c e i n t e g r i t y o fG H ４１６９．T h e t e s t i n g r e s u l t s s h o wt h a tw h e nG H ４１６９i sm a c h i n e dw i t hc e r a m i ca b r a s i v e b e l tw i t h p a r t i c l e s i z e o f ８０,t h e s u r f a c e r o u g
h n e s s e s a r ea s０．６~０．７μm ,a n dd e c r e a s ew i t ht h e i n Ｇc r e a s i n g o fb e l t l i n e a rs p e e d s ,a n di n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n g o f g r i n d i n gp
r e s s u r e s ．T h es u r f a c e h a r d n e s s v a l u e sa r ea s４３０~４８５H V ,a n dt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s s e sa r ea l l r e s i d u a lc o m p
r e s s i v e s t r e s s e s ,a n d t h e v a l u e s a r e a s－４１０~－６０M P a ．
K e y w
o r d s :G H ４１６９n i c k e l Ｇb a s e d s u p e r a l l o y ;b e l t g r i n d i n g ;g r i n d i n g d e p t h ;s u r f a c e i n t e g r i t y 收稿日期:２０１８０４０４
基金项目：重庆市基础科学与前沿技术研究专项
(c s t c ２０１６j c y j a ００６６)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(１０６１１２０１６C D J Z R ２８８８０４
)０㊀引言
G H ４１６９镍基高温合金因具有高强度㊁
耐腐蚀性㊁耐热性和抗疲劳性等特点，已被广泛应用在航空发动机零件㊁燃气轮机叶轮㊁叶片等重要零部
件中[１Ｇ２]
.但在G H ４１６９工件磨削过程中,
磨削力大㊁磨削温度高㊁刀具易黏附㊁刀具磨损严重，同时工件表面常出现烧伤㊁产生较大残余拉应力等现
象，因此G H ４１６９镍基高温合金被认为是典型的
难加工材料[
３Ｇ５]
.与砂轮磨削方式相比，砂带磨削方式具有更高的材料去除率㊁更低的磨削温度和更低的磨削
费用消耗等特点[６
].但在砂带磨削过程中，砂带
基体和接触轮橡胶均会发生变形，因此砂带磨削时的磨削深度难以精确保证.为获得精确的磨削深度，实现精准磨削，目前国内外研究人员已进行了许多相关研究.文献[７]
利用接触轮与工件的几何信息，采用弹性体与刚性体的接触仿真，解决了砂带磨削过程中的S i g n o r i n i 接触问题，同时确定了砂带磨削过程中力的分布与磨削深度的关系.文献[８Ｇ９]均通过建模与分析指
出，砂带磨削过程中，切向力与法向力可通过摩擦因数建立相互关系式，并通过控制垂直于工件表面的法向力
４４０２
来控制砂带磨削过程中的磨削力，进而控制砂带磨削深度.文献[１０]研究发现，材料的磨削深度不仅与磨削压力有关，还与工件材料㊁砂带转速㊁沿切线方向的进给量等有关，并采用田口设计的正交试验方法，确定了砂带转速㊁进给量㊁磨削压力㊁接触轮橡胶硬度㊁磨粒尺寸五个因素与磨削深度之间的关系.
G H４１６９材料的难加工问题除了体现在刀具的使用寿命短外，主要还体现在加工后的工件表面易烧伤㊁表面存在缺陷等，因此研究加工后的工件表面完整性具有实际工程意义.文献[１１]采用粒度为８０号的陶瓷结合剂磨粒对G H４１６９进行加工时发现，磨削后的工件表面粗糙度较小，表面特征较为稳定.文献[１２]研究发现，选择不同粒度的磨粒进行磨削时，获得的工件表面粗糙度不同，采用粒度为２００号的磨粒进行磨削时，工件表面的硬化现象严重，且表面残余拉应力过大.文献[１３]指出，与微量润滑方式相比，采用干磨方式加工时,G H４１６９工件的表面粗糙度更小，且磨屑中无磨损痕迹，但刀具磨损更严重.文献[１４]研究发现，在考虑G H４１６９表面完整性与高材料去除率的前提下，采用干磨方式加工是最好的选择.
综上所述，砂带磨削的实际磨削深度主要与磨削压力有关，但因材料和磨削参数的不同，砂带磨削的实
际磨削深度也会相应发生改变，同时不同磨削工艺参数也会直接影响G H４１６９的表面完整性.本文对砂带磨削G H４１６９时的实际磨削深度进行了确定，并研究了磨削后的G H４１６９表面完整性.采用机器人夹持工件的方式进行了磨削试验，并分析了试验的机器人砂带磨削系统，以保证砂带磨削过程中的磨削压力稳定；根据试验条件设计试验方案，对G H４１６９进行了正交试验和单因素试验；最后对G H４１６９正交试验结果进行分析，以确定磨削深度与加工参数之间的关系，再对单因素试验结果进行分析，以确定砂带磨削对G H４１６９表面完整性的影响规律.
１㊀试验装置分析
机器人砂带磨削通常是工件固定在机器人末端，并通过机器人各手臂同步协调运动使工件移动到砂带磨削装置上进行加工[１５].但由于机器人位置控制器存在固有的运动误差，以及由关节机器人弱刚度导致的加工误差，使得机器人的实际运动位置和理论运动位置存在偏差[１６]，因此本文需要对本次试验的砂带磨削装置结构特征进行分析.１．１㊀整体试验装置结构
机器人砂带磨削装置系统由轮系㊁浮动装置㊁控制台㊁机器人以及机器人控制器等构成，如图１所示.轮系由驱动轮㊁张紧轮㊁接触轮以及多个过渡轮构成.驱动轮提供磨削过程中砂带线速度；张紧轮使砂带在磨削过程中不发生打滑，并保持磨削稳定；接触轮则支撑砂带进行磨削加工.浮动装置可通过控制对下端支撑板的拉伸量来控制施加在工件上的压力.控制台执行对电机的驱动与控制，以实现对砂带线速度以及磨削压力的控制
.
图１㊀机器人砂带磨削装置系统
F i g．１㊀R o b o t b e l t g r i n d i n g d e v i c e s y s t e m １．２㊀砂带磨削装置系统中局部力分析
根据浮动装置及下端支撑板轮系结构，获得了局部力分析示意图，见图２，其中T１~T４均为砂带张力,F N１为支撑力,F t为线速度方向的作用力.若支撑板与固定板之间的砂带保持张力T１和T２在磨削过程中的初始状态方向为水平方向，则由力平衡分析得到
F＋F N＝G(１)式中,F为浮动装置对支撑板的拉力;F N为工件对接触轮的支撑力(即接触轮对工件的磨削压力);G为支撑板和支撑板上轮系的总重力
.机器人资料
图２㊀装置局部力分析示意图
F i g．２㊀D e v i c e p a r t i a l f o r c e a n a l y s i s d i a g r a m
５４０２
机器人砂带磨削G H４１６９镍基高温合金表面完整性研究  段㊀练㊀黄㊀云㊀邹㊀莱
浮动装置中的弹簧及接触轮上的橡胶均为弹性体，其实质为两个弹性体串联，则有
F N＝G－k１k２
k１＋k２x(２)式中,k１为弹簧的刚度系数;k２为橡胶的刚度系数;x为位移量.
机器人固有的运动误差以及由弱刚性(常小于１N/μm)[１６]引起的加工误差，将导致在砂带磨削过程中不可避免地产生偏差Δx.由于支撑板上接触轮与固定板上的距离l足够远(即l≫Δx)，因此T１和T２方向的角度变化可表示为
α＝a r c t a nΔx lʈ０(３)同时，磨削压力值的变化可表示为
F N＝G－k１k２
k１＋k２(x＋Δx)(４)在本试验装置中，所选的k１≪k２(k１＝０．１５N/mm,k２ʈ１２００N/mm)，则有
F N＝G－k１x(５)
因此，该装置浮动结构能弥补机器人固有的运动误差以及在加工过程中存在的加工误差，从而可保证砂带磨削过程中的磨削压力稳定.２㊀试验方案
２．１㊀试验条件
本次试验的工件均采用１００mmˑ３３mm的G H４１６９镍基高温合金矩形板材，其化学成分见表１.试验所用砂带为V S M公司生产的X K８７０X 陶瓷氧化铝磨料砂带，砂带周长为２５４０mm，宽度为１０mm.试验所用磨削装置为闭式砂带磨削装置，其线速度最大可达１３．１m/s，磨削压力最大可达２７N；夹持工件所用机器人为川崎R S２０N 机器人，其运动参数见表２.
表１㊀G H４１６９化学成分(质量分数)
T a b．１㊀C h e m i c a l c o m p o s i t i o no fG H４１６９
(m a s s f r a c t i o n)％w(N i)w(C r)w(N b)w(M o)w(T i)５１．６６１８．２８５．１１２．８３０．７８
w(A l)w(C)w(M n)F e及其他０．３２０．０４０．３０余量
表２㊀川崎R S２N机器人的运动参数
T a b．２㊀K a w a s a k iR S２Nr o b o tm o t i o n p a r a m e t e r s
运动范围和最大角速度关节角运动范围(ʎ)最大角速度((ʎ)/s)１－１８０~１８０１９０
２－１０５~１５５２０５
３－１６
３~１５０２１０
４－２７０~２７０４００
５－１４５~１４５３６０
６－３６０~３６０６１０
最大负载(k g)２０重复定位精度
(mm)ʃ０．０５２．２㊀试验方式
本次试验的磨削方式如图３所示，工件夹持部分固定在机器人末端夹具中.考虑到砂带宽度仅为１０mm，每个工件以１０mm宽度为一个试验号，共有８个试验号，并根据不同试验号进行相应的磨削试验.在每次不同试验号的砂带磨削运动轨迹中，均匀地提取１２个点的点位信息，并采用P i e p e r方法求出各个点所对应的机器人各个关节角，中间运动采用直线插补方法完成机器人的加工运动.砂带磨削G H４１６９工件试验过程均以逆磨方式进行干磨.
图３㊀砂带磨削G H４１６９试验方式
F i g．３㊀B e l t g r i n d i n g
G H４１６９t e s t i n g m e t h o d ２．３㊀试验设计
由于砂带磨削G H４１６９的磨削深度难以精确控制，而单独考虑各个因素对磨削深度的影响会花费大量时间㊁人力及物力[７]，因此本试验采用田口设计的正交试验方法对磨削深度进行分析[１７].为评价砂带线速度v㊁磨削压力F N㊁机器人进给速度v r和磨粒粒度W四种磨削过程参数对磨削深度的影响，本试验参考L１６正交表，构成四因素四水平正交试验[１８].正交试验的磨削过程参数及水平见表３.
表３㊀砂带磨削G H４１６９试验参数与水平
T a b．３㊀B e l t g r i n d i n g G H４１６９t e s t i n gp a r a m e t e r s
a n d l e v e l s
参数
水平
１２３４线速度v(m/s)４６８１０
磨削压力F N(N)５１０１５２０
进给速度v r(m/s)０．０２０．０３０．０４０．０５粒度W３６６０８０１２０㊀㊀为更加详细地了解砂带磨削参数中砂带线速度和磨削压力对G H４１６９表面完整性的影响，采用单因素试验方法并保持其他因素固定不变时，对G H４１６９工件进行磨削试验，其试验参数分别见表４和表５，其中表４中相邻试验组的砂带线速度间隔为１m/s，表５中相邻试验组的磨削压力间隔为２N.
６４０２
中国机械工程第３０卷第１７期２０１９年９月上半月
表４㊀砂带线速度单因素试验参数
T a b．４㊀B e l t l i n e a r s p e e d s i n g l e f a c t o r t e s t i n gp a r a m e t e r s
工艺参数线速度v
(m/s)磨削压力
F N(N)
进给速度
v r(m/s)粒度W
数值４~１１１００．０２８０表５㊀磨削压力单因素试验参数
T a b．５㊀G r i n d i n gp r e s s u r e s i n g l e
f a c t o r t e s t i n gp a r a m e t e r s
工艺参数线速度v
(m/s)磨削压力
F N(N)
进给速度
v r(m/s)粒度W
数值１０６~２００．０２８０３㊀试验结果与分析
G H４１６９工件砂带磨削试验表面情况见图４.其中，正交试验磨削的工件表面如图４a所示，图中１~
１６分别对应正交试验的试验号；砂带线速度和磨削压力单因素试验磨削的工件表面分别如图４b和图４c所示，图４b中的序列号分别对应砂带的线速度４~１１m/s，图４c中的序列号分别对应磨削压力６~２０N.
(b)砂带线速度单因素试验
㊀㊀(a)正交试验(c)磨削压力单因素试验图４㊀G H４１６９工件磨削试验表面情况
F i g．４㊀
G H４１６９w o r k p i e c e g r i n d i n g t e s t s u r f a c e ３．１㊀正交试验结果与分析
根据相应序列号，对磨削完成后的G H４１６９工件进行测量，获得了表６所示的正交试验结果.由于多元线性回归分析是用来确定因变量与多个自变量之间相关性的一种统计方法，因此需对正交试验测试的结果进行多元线性回归分析[１９].若对试验结果数据中粒度W取其粒度号数值，则采用S P S S统计分析软件对磨削深度d㊁表面粗糙度R a㊁表面硬度H等测试结果值分别进行多元线性回归分析，从而得到一阶回归方程分别为
d＝０．００１１７７＋０．００２１１３v＋０．００１３８５F N－
０．２６２５v r－０．００００９６６５W(６) R a＝０．８６９６０１－０．００５５３９v＋０．００５１１８５F N＋
２．４７４２５v r－０．００３４３６５４W(７) H＝４２７．２７９８２＋３．９１６２５v＋２．１５４５F N＋
８１．２５v r－０．３６２３２９W(８)多元线性回归分析相关结果见表７.由表７可知，因变量砂带磨削深度d㊁表面粗糙度R a㊁表面硬度H所建立的一阶回归方程，其拟合优度R２及校正测定系数R２a d j均大于８０％，这表明回归方程拟合效果较好，能够反映实际测量的数据；且显著性水平下Fα的临界值均小于０．０２％，则回归方程的置信度可达到９９．９８％以上，这表明该回归模型能有效地预测砂带磨削G H４１６９时的磨削深度㊁表面粗糙度及表面硬度，其结果具有一定的可靠性.
由表７中各个系数的显著性检验(t检验)中t统计量下的p值可知，各参数对磨削深度d的影响程度从高至低依次为：磨削压力F N㊁线速度v㊁
表６㊀正交试验设计及其结果
T a b．６㊀D e s i g na n d r e s u l t s o f o r t h o g o n a l t e s t
试验号线速度v(m/s)磨削压力F N(N)进给速度v r(m/s)粒度W试验结果
磨削深度d(mm)表面粗糙度R a(μm)表面硬度H(H V)１４５０．０２３６０．００８０．８０２０４４１．６
２４１００．０３６００．０１１０．７６６０４５５．４
３４１５０．０４８００．００８０．７７６８４５３．８
４４２００．０５１２００．０１４０．７０３０４４４．４
５６５０．０３８００．００７０．６８５５４３２．２
６６１００．０２１２００．００８０．５２２２４３０．８
７６１５０．０５３６０．０１７０．８３６２４７１．４
８６２００．０４６００．０３００．８０６９４７７．８
９８５０．０４１２００．００６０．４６８５４１０．６
１０８１００．０５８００．００７０．７６１９４５７．９
１１８１５０．０２６００．０２８０．７３４０４７１．７
１２８２００．０３３６０．０３４０．８６２７４７６．９
１３１０５０．０５６００．００９０．７２４６４６８．３
１４１０１００．０４３６０．０２４０．９４３５４７７．８
１５１０１５０．０３１２００．０２５０．５６２７４６９．５
１６１０２００．０２８００．０３５０．６７７２４８２．４
７４０２
机器人砂带磨削G H４１６９镍基高温合金表面完整性研究  段㊀练㊀黄㊀云㊀邹㊀莱
表７㊀线性回归分析结果
T a b ．７㊀L i n e a r r e g r e s s i o na n a l y
s i s r e s u l t s 因变量拟合优度R ２
(％)校正测定系数
R ２a d j
(％)显著性水平下
F α的临界值t 统计量下的p 值
线速度v
磨削压力F N 进给速度v r
粒度W
磨削深度d ９４．４８９２．２７７．４９６３１ˑ１０
－
７４．５０ˑ１０
－
５３．９９ˑ１０
－
７１．９８ˑ１０
－
３１．８０ˑ１０－
３表面粗糙度R a ８８．０４８３．６９４．９３８３４ˑ１０－５３．４８ˑ１０－
１４．４８ˑ１０－２５．１０ˑ１
０－
２４．２２ˑ１０－６表面硬度H
８５．８１
８０．６４
１．２４１８１ˑ１０
－４２．７８ˑ１０
－３２．６３ˑ１０
－４６．９９ˑ１０
－１４．８４ˑ１０
－４粒度W ㊁进给速度v r ；对表面粗糙度R a 的影响程度从高至低依次为：粒度W ㊁磨削压力F N ㊁进给速
度v r ㊁线速度v ；对表面硬度H 的影响程度从高至低依次为：磨削压力F N ㊁粒度W ㊁线速度v ㊁进给速度v r .
３．２㊀单因素试验结果与分析
３．２．１㊀表面形貌分析
砂带磨削G H ４１６９的微观表面形貌如图５所
示.G H ４１６９作为典型的塑性材料和难加工材料，其砂带磨削去除方式主要为延性去除，且工件
表面存有明显的延性切屑，加工表面缺陷主要为
表面撕裂㊁ 空腔 ㊁破损㊁塑性变形等[
２０
].由图５可以看出，采用浮动装置进行磨削试验后的G H
４１６９工件表面几乎无撕裂㊁
空腔 ㊁破损等缺陷.这是因为在砂带磨削过程中，由于具有砂带基体弹性以及接触轮橡胶弹性的特征，因此砂带磨粒在与工件表面硬化物碰撞时会发生局部回弹，可有效减少工件表面硬化物的破裂，从而抑制表面 空腔 等缺陷的形成.
图５㊀G H ４１６９微观表面形貌
F i g ．５㊀
G
H ４１６９m i c r o s c o p
i c s u r f a c em o r p h o l o g y ３．２．２㊀表面粗糙度结果与分析
在不同砂带线速度与磨削压力条件下测得G H ４１６９表面粗糙度，以R ２和R ２a d j 为依据,
拟合得到砂带线速度表面粗糙度曲线㊁磨削压力表面粗糙度曲线，分别见图６和图７，可以看出，采用粒度为８０号的陶瓷磨粒砂带对G H ４１６９进行磨削时，得到其表面粗糙度R a 在０．６~０．７μm 之间.由图６中的拟合曲线变化趋势可知，随着砂
带线速度的增大，拟合曲线斜率的绝对值在不断减小，这表明砂带线速度的增大使得G H ４１６９表面粗糙度的变化趋势不断减小；同样由图７中拟合曲线的变化趋势可知，磨削压力的增大使得图６㊀砂带线速度表面粗糙度曲线F i g ．６㊀B e l t l i n e a r s p e e d Ｇs u r f a c e r o u g
h n e s s c u r v e 图７㊀磨削压力表面粗糙度曲线
F i g ．７㊀
G r i n d i n gp r e s s u r e Ｇs u r f a c e r o u g
h n e s s c u r v e G H ４１６９表面粗糙度增大.
３．２．３㊀表面硬度结果与分析
图８和图９所示分别为不同砂带线速度和磨
削压力条件下测得的G H ４１６９工件表面硬度值，可看出其表面硬度在４３０~４８５H V 范围内.
图８㊀砂带线速度表面硬度曲线F i g ．８㊀B e l t l i n e a r s p
e e d Ｇs u r
f a c e h a r d n e s s c u r v e 由图８可以看出，砂带线速度的增大使得
G H ４１６９工件表面硬度增大并趋于稳定.工件表
８４０２ 中国机械工程第３０卷第１７期２０１９年９月上半月