1、引言

鈦合金因其優(yōu)越的材料性能(比強度高、耐腐蝕、熱強性好等)，被越來越多地應用在航海、航天航空等設備的關鍵零部件上。同時，鈦合金具有導熱系數(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］。針對鈦合金平面磨削加工中的問題，國內(nèi)外學者開展了許多有意義的研究。韓野等［3］對金剛石砂輪磨削鈦合金時的主要工藝影響因素(如進給速度、磨拋深度等)進行了試驗分析，優(yōu)選出更合適的工藝參數(shù)。劉偉等［4］以TC4鈦合金為研究對象進行高速外圓磨削實驗，分析了外圓磨削工藝參數(shù)對工件表面完整性的影響規(guī)律，結果表明，表面質(zhì)量隨著砂輪線速度提高而提高;隨著工件轉速提高，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，并且磨削深度對表面完整性的影響程度最大。NaskarA．等［5］研究了磨削進給量對TC4鈦合金表面完整性的影響，結果表明，隨著進給量增加，其表面殘余壓應力及表面粗糙度增加。ChenY.G.等［6］對鈦合金進行了磨削試驗，結果表明，砂輪線速度增加時，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，工作臺進給速度對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速度增加而急劇增加。肖鵬［7］對超高速磨削下TC4表面完整性進行了研究分析，結果同樣表明，磨削工藝參數(shù)對磨削表面質(zhì)量有著顯著影響。因此，在磨削加工鈦合金時，選擇合理的砂輪參數(shù)和磨削用量是獲得較好表面質(zhì)量的關鍵［8］。

本文以TC4鈦合金為研究對象，在乳化液條件下采用金剛石砂輪對TC4鈦合金進行平面磨削試驗，對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、試驗條件及方案

2.1試驗條件

試驗用機床為改造的JASU/H-1900T臥式鏜銑加工中心，最高轉速為6000r/min，最大進給速度為4000mm/min。磨削砂輪安裝在臥式主軸上，試驗分別采用粒度為80，120和150的樹脂結合劑金剛石砂輪，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，化學成分如表1所示。

試驗采用KISTLEＲ9129A壓電測力儀采集磨削力信號(見圖1)，用于測量工件所受的切向磨削力FX和法向磨削力FZ。試驗后采用MahrS3P測量儀測量工件相對于砂輪在軸向進給方向的工件表面粗糙度，采用PULSTECμ－X360X射線殘余應力分析儀測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力，采用VHX－600三維光學顯微鏡對工件表面形貌和表面層微觀組織檢測，并采用乳化液冷卻潤滑。

2.2試驗方案

試驗采用逆磨削方式，分析砂輪材料和磨削用量對TC4鈦合金磨削力、磨削表面質(zhì)量、磨削表面殘余應力狀態(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)設置見表2。

3、結果分析與討論

3.1磨削表面粗糙度

圖2a為表面粗糙度隨砂輪線速度的變化情況，隨著砂輪線速度的增大，磨削表面粗糙度呈下降趨勢。這主要是因為隨著砂輪線速度的增大，單位時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。實際加工中，在主軸功率和砂輪轉速允許的情況下，應盡量選擇半徑較大的砂輪和較大的砂輪轉速，以增大砂輪線速度，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。

當砂輪線速度和磨削深度不變時，隨著工件速度的增大，磨削表面粗糙度會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行加工。綜合考慮加工效率等因素，工件速度也應盡量低于18m/min。

圖2c為表面粗糙度隨磨削深度變化的趨勢。當砂輪線速度和工件速度不變時，隨著磨削深度的增大，磨削表面粗糙度呈上升趨勢。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，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，磨削深度過大會加速砂輪磨損，降低砂輪壽命，反而降低加工效率。

綜上可知，砂輪粒度號越大，砂輪粒度越細，磨削表面粗糙度就越小。因此，采用較細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顯微硬度儀測量已加工表面顯微硬度，選擇維氏硬度單位，每組試驗參數(shù)測量三個點，取三次測量結果平均值。圖3a為工件表面顯微硬度隨砂輪線速度變化的趨勢。120粒度的金剛石砂輪在乳化液條件下磨削TC4鈦合金，當工件速度和磨削深度不變時，隨著砂輪線速度的增加，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速度的增加并無明顯變化。

圖3b為工件表面顯微硬度隨砂輪線速度變化的趨勢。當砂輪線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，隨著工件線速度的增加，工件表面顯微硬度增大且增大趨勢減緩;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，工件表面顯微硬度隨著工件速度的增加并無明顯變化。

圖3c為工件表面顯微硬度隨砂輪線速度變化的趨勢。當砂輪線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，隨著磨削深度的增加，工件表面顯微硬度增大且增大趨勢加快;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，工件表面顯微硬度隨著磨削深度的增加并無明顯變化。

綜上，隨著砂輪線速度提高，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。磨削深度對工件表面顯微硬度的影響最大，砂輪線速度次之，工件速度影響最不明顯。

3.3表面層微觀組織分析

采用VHX-600三維光學顯微鏡檢測工件表面層微觀組織。將磨削參數(shù)分別設定為砂輪線速度VS=25m/s，工件速度V_W=14m/min，磨削深度a_p=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象。圖5a為表面殘余應力隨砂輪線速度變化的趨勢。當工件速度和磨削深度不變時，隨著砂輪線速度的增加，磨削熱量增加，熱應力增大，表面殘余應力也會相應增大。因為砂輪線速度提高，單顆磨粒的平均未變形切屑厚度減小，塑性變形深度相應減小，相同單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增多。圖5b為表面殘余應力隨工件速度變化的趨勢。當砂輪線速度和磨削深度不變時，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間縮短，即熱源在工件表面的移動速度增大，表面殘余應力降低。

圖5c為表面殘余應力隨磨削深度變化的趨勢。當砂輪線速度和工件速度不變時，隨著磨削深度的增加，工件表層的磨削溫度升高，熱應力作用明顯，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力均為殘余壓應力。其中，磨削深度對殘余應力變化的影響最大，工件速度次之，砂輪線速度影響程度最低。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，減少熱應力的影響，提高被磨工件表面的磨削質(zhì)量。

4、結語

本文采用金剛石砂輪在乳化液條件下對TC4鈦合金進行平面磨削試驗，對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力的變化規(guī)律，主要結論如下:

(1)在乳化液條件下，砂輪線速度和磨削深度對磨削表面粗糙度的影響顯著，工件速度的影響不明顯，因此可適當選取較大的工件速度，提高加工效率。實際加工中，在主軸功率和砂輪轉速允許的情況下，盡量用較大的砂輪轉速以達到較大的砂輪線速度，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;同時采用較細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)對顯微硬度的影響看:砂輪線速度提高，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。磨削深度對工件表面顯微硬度的影響最大，砂輪線速度次之，工件速度影響最不明顯。

(3)從磨削參數(shù)對殘余應力的影響看，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力均為殘余壓應力。磨削深度對殘余應力變化的影響最大，工件速度次之，砂輪線速度影響程度最低。所以要降低磨削后工件表面殘余應力，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較大的砂輪線速度。

(4)從工件表面層微觀組織上看，砂輪粒度號越大，砂輪粒度越細，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。

參考文獻

［1］張利軍，申偉，曹爾聰，等． 鈦合金的磨削技術研究［J］．工具技術，2013，47( 8) : 55 － 56．

［2］丁文鋒，徐九華，楊長勇，等． 航空發(fā)動機零件高效精密磨削技術的發(fā)展與應用［J］． 航空制造技術，2014( 12) : 26 －29．

［3］韓野，崔海軍． TC4 鈦合金材料采用金剛石砂輪磨削時的工藝參數(shù)優(yōu)化［J］． 航空制造技術，2015 ( 11) : 124 － 127．

［4］劉偉，鄧朝暉，黃宇岑． TC4 鈦合金高速外圓磨削表面完整性實驗［J］． 宇航材料工藝，2017( 4) : 66 － 70．

［5］Naskar A，Choudhary A，Paul S． High speed moderate depth grinding of Ti-6Al-4V using monolayer CBN wheel［J］． Ad-vances in Materials and Processing Technologies，2018，4( 4) : 626 － 638．

［6］Chen Y G，Lu W Z，Xu J，et al． Investigation of surface integ-rity on TC4-DT in high speed grinding with CBN wheel［J］．Advanced Materials Ｒesearch，2014，27( 10) : 140 －145．

［7］肖鵬． 鈦合金 TC4 超高速磨削表面完整性的研究［D］．長沙: 湖南大學，2009．

［8］張昆鵬，王澤，劉蘊天． 磨削 T21 鈦合金件表面質(zhì)量的研究［J］． 當代化工研究，2017( 10) : 22 － 24．

第一作者: 方丁，高級工程師，成都飛機工業(yè)( 集團) 有限公司工程技術部，610073 成都市

First Author: Fang Ding，Senior Engineer，Chengdu Aircraft Industrial ( Group) Co． ，Ltd． ，LMT，Chengdu 610073，China

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