1、引言
鈦合金因其優(yōu)越的材料性能(比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱強(qiáng)性好等)，被越來(lái)越多地應(yīng)用在航海、航天航空等設(shè)備的關(guān)鍵零部件上。同時(shí)，鈦合金具有導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小、回彈量大等特性，使其磨削加工性差，加工質(zhì)量難以得到保證，加工效率低［1，2］。針對(duì)鈦合金平面磨削加工中的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多有意義的研究。韓野等［3］對(duì)金剛石砂輪磨削鈦合金時(shí)的主要工藝影響因素(如進(jìn)給速度、磨拋深度等)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，優(yōu)選出更合適的工藝參數(shù)。劉偉等［4］以TC4鈦合金為研究對(duì)象進(jìn)行高速外圓磨削實(shí)驗(yàn)，分析了外圓磨削工藝參數(shù)對(duì)工件表面完整性的影響規(guī)律，結(jié)果表明，表面質(zhì)量隨著砂輪線(xiàn)速度提高而提高;隨著工件轉(zhuǎn)速提高，表面劃痕更加明顯;隨著磨削深度增加，出現(xiàn)表面燒傷現(xiàn)象，并且磨削深度對(duì)表面完整性的影響程度最大。NaskarA．等［5］研究了磨削進(jìn)給量對(duì)TC4鈦合金表面完整性的影響，結(jié)果表明，隨著進(jìn)給量增加，其表面殘余壓應(yīng)力及表面粗糙度增加。ChenY.G.等［6］對(duì)鈦合金進(jìn)行了磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂輪線(xiàn)速度增加時(shí)，表面粗糙度先降低后略有增加;表面粗糙度值隨磨削深度的增加而增大，工作臺(tái)進(jìn)給速度對(duì)磨削表面形貌影響較小;在高速磨削中，表面顯微硬度隨著砂輪線(xiàn)速度增加而急劇增加。肖鵬［7］對(duì)超高速磨削下TC4表面完整性進(jìn)行了研究分析，結(jié)果同樣表明，磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量有著顯著影響。因此，在磨削加工鈦合金時(shí)，選擇合理的砂輪參數(shù)和磨削用量是獲得較好表面質(zhì)量的關(guān)鍵［8］。
本文以TC4鈦合金為研究對(duì)象，在乳化液條件下采用金剛石砂輪對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行平面磨削試驗(yàn)，對(duì)比分析在不同粒度和磨削用量下的磨削表面粗糙度、顯微硬度、微觀組織以及表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，優(yōu)選出更適用于金剛石砂輪磨削鈦合金的工藝參數(shù)。
2、試驗(yàn)條件及方案
2.1試驗(yàn)條件
試驗(yàn)用機(jī)床為改造的JASU/H-1900T臥式鏜銑加工中心，最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，最大進(jìn)給速度為4000mm/min。磨削砂輪安裝在臥式主軸上，試驗(yàn)分別采用粒度為80，120和150的樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，其規(guī)格為350mm×30mm×75mm。工件材料為退火態(tài)TC4鈦合金，試件尺寸為40mm×20mm×20mm，化學(xué)成分如表1所示。
試驗(yàn)采用KISTLEＲ9129A壓電測(cè)力儀采集磨削力信號(hào)(見(jiàn)圖1)，用于測(cè)量工件所受的切向磨削力FX和法向磨削力FZ。試驗(yàn)后采用MahrS3P測(cè)量?jī)x測(cè)量工件相對(duì)于砂輪在軸向進(jìn)給方向的工件表面粗糙度，采用PULSTECμ－X360X射線(xiàn)殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量砂輪磨削方向和垂直于砂輪磨削方向的工件表面殘余應(yīng)力，采用VHX－600三維光學(xué)顯微鏡對(duì)工件表面形貌和表面層微觀組織檢測(cè)，并采用乳化液冷卻潤(rùn)滑。
2.2試驗(yàn)方案
試驗(yàn)采用逆磨削方式，分析砂輪材料和磨削用量對(duì)TC4鈦合金磨削力、磨削表面質(zhì)量、磨削表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和鈦合金形貌的影響規(guī)律，探尋適合TC4鈦合金磨削加工的砂輪材料及磨削工藝參數(shù)范圍，其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。
3、結(jié)果分析與討論
3.1磨削表面粗糙度
圖2a為表面粗糙度隨砂輪線(xiàn)速度的變化情況，隨著砂輪線(xiàn)速度的增大，磨削表面粗糙度呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著砂輪線(xiàn)速度的增大，單位時(shí)間里參與磨削的磨粒數(shù)隨之增加，工件塑性變形隆起增大使表面粗糙度值降低。實(shí)際加工中，在主軸功率和砂輪轉(zhuǎn)速允許的情況下，應(yīng)盡量選擇半徑較大的砂輪和較大的砂輪轉(zhuǎn)速，以增大砂輪線(xiàn)速度，獲得較好的表面粗糙度。圖2b為表面粗糙度隨工件速度的變化趨勢(shì)。
當(dāng)砂輪線(xiàn)速度和磨削深度不變時(shí)，隨著工件速度的增大，磨削表面粗糙度會(huì)有所增大并逐漸趨于穩(wěn)定值，因此要想獲得較低的表面粗糙度，需選擇較低的工件速度進(jìn)行加工。綜合考慮加工效率等因素，工件速度也應(yīng)盡量低于18m/min。
圖2c為表面粗糙度隨磨削深度變化的趨勢(shì)。當(dāng)砂輪線(xiàn)速度和工件速度不變時(shí)，隨著磨削深度的增大，磨削表面粗糙度呈上升趨勢(shì)。因此采用較小的磨削深度可以獲得較高的表面質(zhì)量。粗加工時(shí)采用較大的磨削深度，獲得較高的材料去除率并提高加工效率;精加工盡量采用較小的磨削深度，獲得較高的表面加工質(zhì)量以提高加工精度。粗加工時(shí)，磨削深度并非越大越好，要根據(jù)砂輪粒度和性能選擇合適的磨削深度，磨削深度過(guò)大會(huì)加速砂輪磨損，降低砂輪壽命，反而降低加工效率。
綜上可知，砂輪粒度號(hào)越大，砂輪粒度越細(xì)，磨削表面粗糙度就越小。因此，采用較細(xì)粒度的砂輪加工可以獲得較光滑的加工表面。加工中，粗加工時(shí)宜采用較粗粒度的砂輪，以獲得較高的材料去除率，提高加工效率;精加工盡量采用較細(xì)粒度的砂輪，以獲得較好的表面加工質(zhì)量，提高加工精度。
3.2顯微硬度分析
采用HXS-1000TAC顯微硬度儀測(cè)量已加工表面顯微硬度，選擇維氏硬度單位，每組試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量三個(gè)點(diǎn)，取三次測(cè)量結(jié)果平均值。圖3a為工件表面顯微硬度隨砂輪線(xiàn)速度變化的趨勢(shì)。120粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金，當(dāng)工件速度和磨削深度不變時(shí)，隨著砂輪線(xiàn)速度的增加，工件表面顯微硬度減小且逐漸趨緩;80粒度和150粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金，工件表面顯微硬度隨砂輪線(xiàn)速度的增加并無(wú)明顯變化。
圖3b為工件表面顯微硬度隨砂輪線(xiàn)速度變化的趨勢(shì)。當(dāng)砂輪線(xiàn)速度和磨削深度不變，120粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金時(shí)，隨著工件線(xiàn)速度的增加，工件表面顯微硬度增大且增大趨勢(shì)減緩;80粒度和150粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金時(shí)，工件表面顯微硬度隨著工件速度的增加并無(wú)明顯變化。
圖3c為工件表面顯微硬度隨砂輪線(xiàn)速度變化的趨勢(shì)。當(dāng)砂輪線(xiàn)速度和工件速度不變，120粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金時(shí)，隨著磨削深度的增加，工件表面顯微硬度增大且增大趨勢(shì)加快;80粒度和150粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金時(shí)，工件表面顯微硬度隨著磨削深度的增加并無(wú)明顯變化。
綜上，隨著砂輪線(xiàn)速度提高，工件表面顯微硬度減小;隨著工件速度提高，工件表面顯微硬度增大;隨著磨削深度的提高，工件表面顯微硬度增大。磨削深度對(duì)工件表面顯微硬度的影響最大，砂輪線(xiàn)速度次之，工件速度影響最不明顯。
3.3表面層微觀組織分析
采用VHX-600三維光學(xué)顯微鏡檢測(cè)工件表面層微觀組織。將磨削參數(shù)分別設(shè)定為砂輪線(xiàn)速度VS=25m/s，工件速度VW=14m/min，磨削深度ap=0．02mm，金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金。從圖4可以看出，150粒度砂輪磨削工件表面質(zhì)量最好，120粒度砂輪磨削工件表面質(zhì)量次之，80粒度砂輪磨削工件表面質(zhì)量最差。
3.4磨削表面殘余應(yīng)力分析
以粒度為80的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削鈦合金為分析對(duì)象。圖5a為表面殘余應(yīng)力隨砂輪線(xiàn)速度變化的趨勢(shì)。當(dāng)工件速度和磨削深度不變時(shí)，隨著砂輪線(xiàn)速度的增加，磨削熱量增加，熱應(yīng)力增大，表面殘余應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增大。因?yàn)樯拜喚€(xiàn)速度提高，單顆磨粒的平均未變形切屑厚度減小，塑性變形深度相應(yīng)減小，相同單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增多。圖5b為表面殘余應(yīng)力隨工件速度變化的趨勢(shì)。當(dāng)砂輪線(xiàn)速度和磨削深度不變時(shí)，隨著工件速度的增加，雖然磨粒未變形，但磨屑厚度增大，發(fā)熱量增大，砂輪與工件的接觸時(shí)間縮短，即熱源在工件表面的移動(dòng)速度增大，表面殘余應(yīng)力降低。
圖5c為表面殘余應(yīng)力隨磨削深度變化的趨勢(shì)。當(dāng)砂輪線(xiàn)速度和工件速度不變時(shí)，隨著磨削深度的增加，工件表層的磨削溫度升高，熱應(yīng)力作用明顯，工件表層的塑形變形作用增大，比磨削能加大，因而工件表面殘余應(yīng)力增大。
從圖可以看出，在乳化液條件下采用金剛石砂輪磨削TC4鈦合金的工件表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力。其中，磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力變化的影響最大，工件速度次之，砂輪線(xiàn)速度影響程度最低。綜上，為了有效控制磨削后工件表面殘余應(yīng)力的大小，須合理選擇磨削深度和工件速度，即盡可能選取較小的磨削深度，增大工件速度，保持砂輪的鋒利，使材料的切除以切削為主，有效降低滑擦和耕犁作用，從而降低磨削區(qū)溫度，減少熱應(yīng)力的影響，提高被磨工件表面的磨削質(zhì)量。
4、結(jié)語(yǔ)
本文采用金剛石砂輪在乳化液條件下對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行平面磨削試驗(yàn)，對(duì)比分析在不同粒度和磨削用量下的磨削表面粗糙度、顯微硬度、工件表面層微觀組織以及表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下:
(1)在乳化液條件下，砂輪線(xiàn)速度和磨削深度對(duì)磨削表面粗糙度的影響顯著，工件速度的影響不明顯，因此可適當(dāng)選取較大的工件速度，提高加工效率。實(shí)際加工中，在主軸功率和砂輪轉(zhuǎn)速允許的情況下，盡量用較大的砂輪轉(zhuǎn)速以達(dá)到較大的砂輪線(xiàn)速度，獲得較好的表面粗糙度;采用較小的磨削深度可以獲得較高的表面質(zhì)量;同時(shí)采用較細(xì)粒度的砂輪加工可以獲得較光滑的加工表面。
(2)從磨削參數(shù)對(duì)顯微硬度的影響看:砂輪線(xiàn)速度提高，工件表面顯微硬度減小;工件速度提高，工件表面顯微硬度增大;磨削深度增大，工件表面顯微硬度增大。磨削深度對(duì)工件表面顯微硬度的影響最大，砂輪線(xiàn)速度次之，工件速度影響最不明顯。
(3)從磨削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響看，在乳化液條件下采用金剛石砂輪磨削TC4鈦合金的工件表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力。磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力變化的影響最大，工件速度次之，砂輪線(xiàn)速度影響程度最低。所以要降低磨削后工件表面殘余應(yīng)力，合理選擇磨削深度和工件速度，即盡可能選取比較小的磨削深度、適中的工件速度和相對(duì)較大的砂輪線(xiàn)速度。
(4)從工件表面層微觀組織上看，砂輪粒度號(hào)越大，砂輪粒度越細(xì)，砂輪磨削的工件表面質(zhì)量越好。
綜上可知，采用金剛石砂輪在乳化液冷卻條件下選擇合適的磨削參數(shù)磨削TC4鈦合金具有一定的可行性。
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第一作者: 方丁，高級(jí)工程師，成都飛機(jī)工業(yè)( 集團(tuán)) 有限公司工程技術(shù)部，610073 成都市
First Author: Fang Ding，Senior Engineer，Chengdu Aircraft Industrial ( Group) Co． ，Ltd． ，LMT，Chengdu 610073，China
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