17-4PH是典型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛應用于發電、核能、化工等領域。由于具有較高的強度及良好的塑性，現廣泛用作汽輪機低壓葉片的(de)主(zhu)選(xuan)材料。葉(xie)片(pian)作(zuo)為(wei)汽輪機設備的(de)關鍵零(ling)部件(jian)，對機組的(de)經(jing)濟性及安全性起(qi)著(zhu)決定性的(de)作(zuo)用(yong)。葉(xie)根(gen)作(zuo)為(wei)葉(xie)片(pian)與轉子的(de)連接(jie)部分(fen)，其加(jia)工(gong)(gong)質(zhi)量直接(jie)決定著(zhu)葉(xie)片(pian)的(de)使用(yong)壽(shou)命。葉(xie)根(gen)型(xing)線較(jiao)復雜，尤其是樅(cong)樹型(xing)葉(xie)根(gen)，需要加(jia)工(gong)(gong)方式具有良好表面(mian)質(zhi)量、加(jia)工(gong)(gong)精度和較(jiao)高效率(lv)。若加(jia)工(gong)(gong)方式選(xuan)擇不當，會產生較(jiao)差的(de)表面(mian)質(zhi)量，降(jiang)低葉(xie)片(pian)壽(shou)命，從而(er)會使整機壽(shou)命和可靠性下降(jiang)。

　　磨削是機械制造行業常用的生產加工工藝，磨削加工17-4PH材料時有如下特點：導熱性差；切屑粘附性強，砂輪容易堵塞；磨粒容易磨鈍，磨削表面容易燒傷；磨削比能高和表面粗糙度高，屬于難加工材料。為了深入研究磨削工藝，國內外諸多學者展開了系統研究。陳明等對磨削過程中的磨削力、磨削溫度、工件表面形貌及殘余應力分布等變化規律進行了分析研究，揭示了新型高溫合金DZ4材料的磨削燒傷機理，為尋求高效、高精度的磨削加工工藝提供了理論及試驗依據。西北工業大學的任敬心等對砂輪磨損、磨削溫度、磨削力和磨削后工件表面完整性進行了系統研究，提出采用CBN砂輪磨削鈦合金可帶來很好的磨削效果。黃新春等對GH4169磨削過程中的磨削用量對工件表面加工質量的影響規律進行了研究，研究發現，工件速度對工件表面紋路及工件表面粗糙度的影響作用較砂輪速度和磨削深度的影響作用大。黃向明等對磨削加工過程中的淬硬鋼磨削白層進行了大量研究，研究發現淬硬鋼磨削白層的產生主要由磨削表面的溫度過高導致。Rodrigo DaunMonicii等以砂輪種類和機床冷卻性能為研究對象，研究了其對淬硬鋼磨削加工性能的影響。試驗表明，以磨削力、殘余應力以及磨削比為磨削加工性能指標，則具有優異加工性能的CBN砂輪較傳統的白剛玉砂輪磨(mo)(mo)削(xue)(xue)加工性能好很(hen)多。X.Chen等通過(guo)AISI 1055的磨(mo)(mo)削(xue)(xue)試驗對磨(mo)(mo)削(xue)(xue)過(guo)程中殘余應力由壓應力轉變(bian)為拉(la)應力的轉變(bian)溫度(du)進行(xing)了研究，試驗結果(guo)發(fa)現(xian)，平行(xing)和垂直(zhi)于磨(mo)(mo)削(xue)(xue)方向的轉變(bian)溫度(du)都位于200℃左右，同時還發(fa)現(xian)了磨(mo)(mo)削(xue)(xue)溫度(du)對殘余拉(la)應力有著重(zhong)要影響。

　　銑削加(jia)(jia)工(gong)同(tong)樣是一種被廣泛采用的(de)生(sheng)(sheng)產加(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)。銑(xian)削(xue)采用多刃刀(dao)具切削(xue)工(gong)件，具有較高的(de)生(sheng)(sheng)產效率(lv)。銑(xian)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)屬于斷續切削(xue)，由(you)切削(xue)刃連續切入工(gong)件來(lai)完成加(jia)(jia)工(gong)。銑(xian)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)過程(cheng)中(zhong)常因(yin)機械沖擊和熱沖擊作用而(er)產生(sheng)(sheng)加(jia)(jia)工(gong)過程(cheng)中(zhong)的(de)振動(dong)，對(dui)刀(dao)具壽命、工(gong)件表(biao)面加(jia)(jia)工(gong)質量(liang)、加(jia)(jia)工(gong)效率(lv)等產生(sheng)(sheng)很大影響。

　　Wang Xinxin等(deng)對(dui)(dui)(dui)黃銅銑(xian)(xian)(xian)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)(gong)過(guo)(guo)(guo)程中的切削(xue)用量(liang)(liang)對(dui)(dui)(dui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)完整性的影(ying)響(xiang)進(jin)(jin)行(xing)了(le)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，并(bing)以(yi)工(gong)(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)為指標對(dui)(dui)(dui)工(gong)(gong)藝參數進(jin)(jin)行(xing)了(le)優化。Alauddin等(deng)建(jian)立了(le)預(yu)測表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)的回歸模型，并(bing)通過(guo)(guo)(guo)立銑(xian)(xian)(xian)刀對(dui)(dui)(dui)Inconel718進(jin)(jin)行(xing)了(le)加(jia)(jia)工(gong)(gong)試驗(yan)(yan)，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)發現，每(mei)齒進(jin)(jin)給量(liang)(liang)對(dui)(dui)(dui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)的影(ying)響(xiang)較切削(xue)速度(du)(du)對(dui)(dui)(dui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)的影(ying)響(xiang)更大，該研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)為銑(xian)(xian)(xian)削(xue)Inconel718的參數選(xuan)擇優化有著(zhu)重要意義。尉淵等(deng)通過(guo)(guo)(guo)涂層(ceng)硬(ying)質合金刀具對(dui)(dui)(dui)GH4169進(jin)(jin)行(xing)銑(xian)(xian)(xian)削(xue)試驗(yan)(yan)，并(bing)結合最小二乘法對(dui)(dui)(dui)試驗(yan)(yan)數據進(jin)(jin)行(xing)回歸分析處理，獲得(de)了(le)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)經驗(yan)(yan)模型公式。T.Kitagawa等(deng)通過(guo)(guo)(guo)高速銑(xian)(xian)(xian)削(xue)對(dui)(dui)(dui)Inconel718進(jin)(jin)行(xing)切削(xue)試驗(yan)(yan)，結果發現，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)的數值大小與刀具磨損的程度(du)(du)成正比(bi)。

　　磨(mo)削(xue)(xue)及銑(xian)削(xue)(xue)都具(ju)備優(you)良(liang)的加工(gong)(gong)質量，目前仍需(xu)深入進行17-4PH材料的銑(xian)削(xue)(xue)、磨(mo)削(xue)(xue)加工(gong)(gong)表(biao)(biao)(biao)面(mian)形(xing)(xing)貌、塑性(xing)變形(xing)(xing)影(ying)(ying)響層以及殘余應(ying)力等(deng)特性(xing)研(yan)究。為(wei)(wei)此，本文通(tong)過對比分析兩種加工(gong)(gong)方式(shi)下葉根表(biao)(biao)(biao)面(mian)形(xing)(xing)貌、塑性(xing)變形(xing)(xing)影(ying)(ying)響層以及表(biao)(biao)(biao)面(mian)殘余應(ying)力等(deng)特性(xing)，為(wei)(wei)高(gao)強度(du)汽輪機葉片葉根優(you)質高(gao)效加工(gong)(gong)提供了依(yi)據。

　　1試驗過程及分析

　　(1)試驗材(cai)料及方法

　　試驗中，磨(mo)削(xue)及銑削(xue)葉(xie)根的宏觀形貌采用Stemi 2000-C體視(shi)顯微(wei)(wei)鏡(jing)觀察(cha)，微(wei)(wei)觀形貌采用SUPRATM 55掃描電(dian)子(zi)顯微(wei)(wei)鏡(jing)觀察(cha)，其(qi)金(jin)相組織采用Axiovert 40 MAT光學顯微(wei)(wei)鏡(jing)觀察(cha)，表面殘余應力(li)(li)采用PROTO公司X射線應力(li)(li)分(fen)析儀測量，運用電(dian)解腐蝕(shi)逐層去除法(fa)測量深(shen)度方向的殘余應力(li)(li)，腐蝕(shi)液為(wei)飽和NaCl溶液。葉(xie)根材料為(wei)17-4PH材料，其(qi)化學成(cheng)分(fen)見表1。

表1 17-4PH鋼的化學成分分析結果（wt%）

 　(2)表面形(xing)貌

　　通過體式顯微(wei)鏡觀察(cha)(cha)到的(de)葉根加工表面(mian)形貌如圖1所示(shi)。由電(dian)子掃描(miao)顯微(wei)鏡觀察(cha)(cha)的(de)磨削(xue)、銑削(xue)葉根表面(mian)形貌如圖2所示(shi)。

(a)磨削(xue)                                 (b)銑削(xue)

圖1 加工表面宏觀形貌（×10）

(a)磨削 (×100)                   (b)磨削 (×2000)

(c)銑削(xue) (×100)                  (d)銑削(xue) (×2000)

圖(tu)2 加(jia)工表面(mian)微觀形貌(mao)

　　由圖1可知磨(mo)削、銑(xian)削兩種加(jia)(jia)工(gong)方式的(de)(de)葉根表(biao)(biao)面宏觀上都比較(jiao)(jiao)平滑(hua)，加(jia)(jia)工(gong)質量(liang)都較(jiao)(jiao)好(hao)，不(bu)存(cun)在宏觀加(jia)(jia)工(gong)缺陷。從圖2可知，當放大(da)倍數較(jiao)(jiao)大(da)時，加(jia)(jia)工(gong)痕跡明顯，加(jia)(jia)工(gong)方向表(biao)(biao)面連(lian)貫性不(bu)好(hao)，局部存(cun)在微坑、折疊等(deng)現(xian)象，磨(mo)削加(jia)(jia)工(gong)葉根表(biao)(biao)面的(de)(de)完整性較(jiao)(jiao)差。但是(shi)，銑(xian)削加(jia)(jia)工(gong)葉根表(biao)(biao)面在相同(tong)放大(da)倍數下的(de)(de)連(lian)貫性較(jiao)(jiao)好(hao)，微觀表(biao)(biao)面較(jiao)(jiao)平整。

　　將不同加(jia)工(gong)方式的葉(xie)根(gen)解剖后鑲嵌，在未腐(fu)蝕情況下(xia)觀察加(jia)工(gong)表(biao)面(mian)(mian)截(jie)面(mian)(mian)的微觀形貌，結果如圖(tu)3所示，其中白色部(bu)分為未腐(fu)蝕葉(xie)根(gen)截(jie)面(mian)(mian)。從圖(tu)3可發現與(yu)表(biao)面(mian)(mian)觀察相近(jin)的結果，微觀下(xia)磨削(xue)加(jia)工(gong)截(jie)面(mian)(mian)存在毛刺及凹(ao)坑(keng)，銑削(xue)加(jia)工(gong)截(jie)面(mian)(mian)較平滑。

(a)磨(mo)削(xue)                                  (b)銑(xian)削(xue)

圖3 表面截面微觀形貌（×200）

　　(3)表面(mian)截面(mian)微觀組織(zhi)

　　不(bu)同(tong)加工(gong)方式(shi)的截面(mian)(mian)微觀組(zu)織(zhi)見(jian)圖4。由圖可知，葉根(gen)芯部組(zu)織(zhi)為17-4PH正常的板條馬(ma)氏(shi)體組(zu)織(zhi)，靠近(jin)加工(gong)表面(mian)(mian)存(cun)在(zai)組(zu)織(zhi)變(bian)化，晶粒存(cun)在(zai)不(bu)同(tong)程度(du)的細化。對于(yu)磨削加工(gong)面(mian)(mian)，腐蝕(shi)后靠近(jin)表面(mian)(mian)的試(shi)樣(yang)顏(yan)色變(bian)深(shen)，但近(jin)表面(mian)(mian)的板束(shu)依然可見(jian)。對于(yu)銑削加工(gong)表面(mian)(mian)，從芯部至(zhi)表面(mian)(mian)晶粒細化明(ming)顯(xian)(xian)，存(cun)在(zai)明(ming)顯(xian)(xian)的影響(xiang)層，影響(xiang)層顏(yan)色較深(shen)，板束(shu)形態不(bu)太明(ming)顯(xian)(xian)，影響(xiang)層厚度(du)大于(yu)磨削表面(mian)(mian)影響(xiang)厚度(du)。

(a)磨(mo)削(xue)                                 (b)銑削(xue)

圖(tu)4  葉根齒(chi)端面金相組織（×100）

　　磨(mo)削(xue)及銑削(xue)加(jia)工(gong)都伴隨(sui)著塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)形(xing)。在掃描顯(xian)微(wei)鏡下觀(guan)察(cha)加(jia)工(gong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)截面(mian)(mian)(mian)的金相試樣，其微(wei)觀(guan)形(xing)貌(mao)如圖5所示。從圖5可知，磨(mo)削(xue)表(biao)面(mian)(mian)(mian)塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)形(xing)層(ceng)(ceng)包含次(ci)表(biao)面(mian)(mian)(mian)晶粒(li)變(bian)形(xing)層(ceng)(ceng)與表(biao)面(mian)(mian)(mian)劇烈塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)形(xing)層(ceng)(ceng)；在次(ci)表(biao)面(mian)(mian)(mian)，馬(ma)氏體板(ban)束(shu)依然存在，但(dan)產(chan)生(sheng)(sheng)彎曲(qu)變(bian)形(xing)，厚度為5μm左右；表(biao)面(mian)(mian)(mian)存在不超過1μm的劇烈塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)形(xing)層(ceng)(ceng)，層(ceng)(ceng)內(nei)原(yuan)基體板(ban)條束(shu)產(chan)生(sheng)(sheng)碎化(hua)，產(chan)生(sheng)(sheng)方(fang)向性(xing)(xing)(xing)平行組織；銑削(xue)表(biao)面(mian)(mian)(mian)塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)形(xing)層(ceng)(ceng)形(xing)態與磨(mo)削(xue)類似，但(dan)劇烈塑(su)(su)性(xing)(xing)(xing)層(ceng)(ceng)厚度最(zui)大約為6μm，內(nei)部板(ban)束(shu)不明顯(xian)，晶粒(li)十分細小，局部存在微(wei)小孔洞。

(a) 磨削(xue)                        ;         (b) 銑削(xue)

圖5  葉(xie)根(gen)齒端面微(wei)觀形貌（×10000）

　　(4)表(biao)面(mian)殘余應力(li)

　　作(zuo)為表面完整性(xing)重要(yao)考核指標的(de)殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力，在(zai)受(shou)力或者(zhe)高溫下可能(neng)發生松(song)弛行為，會影響(xiang)零部(bu)(bu)件的(de)尺寸穩定(ding)性(xing)。作(zuo)為疲(pi)勞強度中(zhong)的(de)平均應(ying)(ying)力，殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力直接影響(xiang)零部(bu)(bu)件的(de)使用(yong)壽命。因此，研究磨削及銑削后試樣(yang)表面殘(can)余(yu)應(ying)(ying)力及分布對工(gong)藝評(ping)價及產品質量(liang)控制具有十(shi)分重要(yao)的(de)意義(yi)。

　　對(dui)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)(xue)及銑(xian)削(xue)(xue)(xue)(xue)的(de)葉(xie)根(gen)表(biao)(biao)面(mian)(mian)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)采用X射線法進行測(ce)量，測(ce)量殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)沿層深(shen)的(de)分布(bu)，測(ce)量結果如(ru)圖(tu)6所示。從圖(tu)6可(ke)知，對(dui)于(yu)磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)(xue)加(jia)工表(biao)(biao)面(mian)(mian)，垂直磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向及平(ping)行磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向的(de)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)沿層深(shen)分布(bu)差別較(jiao)大。垂直磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)為(wei)(wei)(wei)-234.42MPa，并隨著深(shen)度(du)增加(jia)殘(can)(can)余(yu)(yu)壓應(ying)(ying)力(li)數值(zhi)急劇減少，在(zai)深(shen)度(du)20μm左(zuo)右(you)(you)轉變為(wei)(wei)(wei)拉(la)應(ying)(ying)力(li)；在(zai)平(ping)行磨(mo)(mo)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向，表(biao)(biao)面(mian)(mian)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)壓應(ying)(ying)力(li)數值(zhi)較(jiao)小，在(zai)深(shen)度(du)25μm左(zuo)右(you)(you)壓應(ying)(ying)力(li)為(wei)(wei)(wei)-76.36 MPa；當深(shen)度(du)超過50μm時，殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)幾乎接近(jin)為(wei)(wei)(wei)0MPa；對(dui)于(yu)銑(xian)削(xue)(xue)(xue)(xue)加(jia)工表(biao)(biao)面(mian)(mian)，垂直銑(xian)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向和平(ping)行銑(xian)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向的(de)殘(can)(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)沿層深(shen)分布(bu)趨(qu)勢(shi)類似，表(biao)(biao)面(mian)(mian)殘(can)(can)余(yu)(yu)壓應(ying)(ying)力(li)的(de)最(zui)大值(zhi)分別為(wei)(wei)(wei)-632.84MPa及-359.44MPa。殘(can)(can)余(yu)(yu)壓應(ying)(ying)力(li)數值(zhi)隨著深(shen)度(du)的(de)增加(jia)而減少，垂直銑(xian)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向在(zai)90μm左(zuo)右(you)(you)轉為(wei)(wei)(wei)殘(can)(can)余(yu)(yu)拉(la)應(ying)(ying)力(li)，平(ping)行銑(xian)削(xue)(xue)(xue)(xue)方(fang)(fang)向在(zai)50μm左(zuo)右(you)(you)轉為(wei)(wei)(wei)殘(can)(can)余(yu)(yu)拉(la)應(ying)(ying)力(li)。

(a)磨削                                 

(b)銑削

圖6  表面(mian)殘余(yu)應力沿層深(shen)分布

　　小結

　　(1)磨(mo)削(xue)、銑削(xue)加工葉根表面宏觀上(shang)都比較平滑，微觀下磨(mo)削(xue)加工較銑削(xue)加工痕跡更明顯，存在明顯的毛刺及(ji)凹坑。

　　(2)兩種加工方式下的微觀(guan)組織都(dou)存在晶粒細化的影響層(ceng)，表(biao)面都(dou)存在劇烈塑性變形(xing)層(ceng)，且銑削加工變形(xing)層(ceng)深大于磨削加工變形(xing)層(ceng)深。

　　(3)在(zai)磨削、銑(xian)削的平(ping)(ping)行加工、垂直加工方向，表面殘(can)余(yu)應力都(dou)為壓(ya)應力，垂直方向殘(can)余(yu)應力數值(zhi)(zhi)都(dou)大(da)于平(ping)(ping)行方向殘(can)余(yu)應力數值(zhi)(zhi)，銑(xian)削加工表面壓(ya)應力深(shen)度大(da)于磨削加工。