摘 要： 主要是通過(guò)對(duì)鈦合金材料（TC11）性能進(jìn)行分析后，在加工中如何正確選擇砂輪磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑等參數(shù)，調(diào)整磨削力、磨削參數(shù)保證零件表面加工后不燒傷并提高表面的完整性。

　　關(guān)鍵詞： 鈦合金；磨損；粘附；燒傷和裂紋

　　0 引言

　　現(xiàn)階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件多數(shù)采用鈦合金材料，根據(jù)裝配需求，精加工表面尺寸精度和表面粗糙度都需要磨削加工才能保證零件表面的質(zhì)量。由于鈦合金材料本身物理機(jī)械性能，磨削加工時(shí)易出現(xiàn)表面燒傷、表面完整性降低，目前急需解決對(duì)鈦合金材料磨削的問(wèn)題，所以選擇合適的砂輪是非常必要的。

　　1 鈦合金材料性能分析

　　鈦合金的種類大致分為三類，α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金。具有比重小，比強(qiáng)高，耐高溫，耐腐蝕、超記憶，無(wú)磁性，彈性模量低，生物相容性號(hào)，這一系列優(yōu)良的使其在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。鈦的熔點(diǎn)為1668℃，沸點(diǎn)為3400℃，高于鎳鐵，因此，輕型耐熱成為了其優(yōu)良的基礎(chǔ)，可在500℃下長(zhǎng)期工作。新型鈦合金長(zhǎng)期工作溫度還要高，在300—350℃下其強(qiáng)度比鋁合金高10倍。常用α+β鈦合金強(qiáng)度達(dá)到1.2GPa，比重0.44MPa，比強(qiáng)度23—27，均高于合金鋼。鈦合金的抗拉強(qiáng)度可超過(guò)1.5GPa，對(duì)其加工必須施加很大的力，是典型的難加工材料。

　　鈦的熱導(dǎo)系數(shù)為0.036cal，TC11鈦合金的導(dǎo)熱性能更差。鈦的彈性模量約為鋼的1/2，加工時(shí)回彈性大，容易振動(dòng)。

　　鈦合金中含有氧，氫、氮、碳，有時(shí)還包括硅，鐵等雜質(zhì)元素，這些元素進(jìn)行了強(qiáng)烈的反應(yīng)，以間隙式存在于晶格中，可使鈦合金強(qiáng)度提高，塑性下降，甚至使斷裂韌性、低溫韌性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性、冷成型和可焊性變壞。鈦合金在高溫中化學(xué)性極高，在一定磨削溫度下，鈦形成氧化，氮化保護(hù)膜，使表面層硬化變脆，降低了彈性，加大了加工硬化程度，磨削時(shí)容易貼附，堵塞砂輪，造成磨削過(guò)熱，表面完整性降低。

　　2 鈦合金磨削砂輪的選擇

　　2.1 鈦合金磨削要求砂輪粘附小，磨損小，不易堵塞，磨削溫度低

　　這主要包括磨料的粒度結(jié)合劑組織形狀尺寸。普通砂輪由磨料結(jié)合劑和氣孔組成。磨料作用是磨削被加工材料形成符合要求的表面。結(jié)合劑的作用是把磨料粘結(jié)到一起，形成一定形狀和硬度，使磨粒在磨削過(guò)程中保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并能自脫。氣孔是在磨削進(jìn)程中起到排屑，冷卻兼有潤(rùn)滑作用。普通磨料包括剛玉系列（氧化鋁），和碳化硅系列。磨削鈦合金應(yīng)選擇碳化硅砂輪。

　　2.2 結(jié)合劑的選擇

　　結(jié)合劑分樹(shù)脂和陶瓷兩種：

　　1）陶瓷結(jié)合劑顆粒能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性好，防水，耐熱，耐腐蝕，磨損小，長(zhǎng)時(shí)間保持磨削性能，具有多孔性，不易堵塞，生產(chǎn)率高。脆性大，不能經(jīng)受較大沖擊負(fù)荷。

　　2）樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪強(qiáng)度高，有彈性，耐沖擊好，熱穩(wěn)定性差，耐腐蝕性差，高溫下會(huì)軟化失去強(qiáng)度。

　　磨削鈦合金應(yīng)選陶瓷結(jié)合劑砂輪。

　　2.3 粒度的選擇

　　磨削鈦合金通常采用36#—80#粒度。

　　2.4 砂輪組織硬度

　　磨削鈦合金通常應(yīng)選擇較軟硬度或者中等硬度，組織較松的大氣孔砂輪。

　　3 鈦合金磨削過(guò)程中磨削力的分析

　　在用碳化硅、氧化鋁砂輪磨削鈦合金時(shí)，磨屑易貼附于砂輪表面，磨削力較大，砂輪磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量下降。

　　1）磨削力與各磨削參數(shù)之間的關(guān)系。選擇合理的磨削參數(shù)以控制磨削力大小，進(jìn)而改善磨削質(zhì)量，是鈦合金磨削的關(guān)鍵，鈦合金磨削過(guò)程中的磨削力是有切削和摩擦兩部分組成的，這兩部分所占有的比例各有不同。鈦合金的磨削中切屑變形力是主要的，占了磨削力中大部分約為摩擦力的三倍。但與一般金屬材料相比，其摩擦力所占的比例大得多。這與鈦合金材料的性質(zhì)有很大的關(guān)系，鈦合金彈性模量小，熱導(dǎo)率低，化學(xué)活性高，粘，韌。在磨削中砂輪粘附嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦力增加。而摩擦力受砂輪線速度影響小，受磨削深度影響大。所以，要控制磨削力，因采用適當(dāng)?shù)哪ハ魃疃群湍ハ骶€速度。鈦合金磨削中摩擦系數(shù)隨線速度增加而增加。在摩擦學(xué)中，摩擦系數(shù)與相對(duì)滑動(dòng)的關(guān)系。只有當(dāng)載荷趨大時(shí)，摩擦系數(shù)才有隨滑動(dòng)速度增加而增大的趨勢(shì)。在磨削中，每個(gè)磨粒承受了相當(dāng)大的應(yīng)力。所有摩擦系數(shù)受磨削參數(shù)變化影響很大。

　　2）切屑變形力與磨削深度的線性關(guān)系由于存在著尺寸效應(yīng)，從斷裂力學(xué)基本原理出發(fā)，事實(shí)上磨削過(guò)程是裂紋擴(kuò)張過(guò)程。尺寸效應(yīng)主要由磨削力中的切屑變形力引起。而金屬磨除率與法向磨削力的關(guān)系，其實(shí)并不止取決于工件材料和砂輪的修整情況，因?yàn)橥瑯哟嬖诔叽缧?yīng)的影響。

　　3）磨削深度對(duì)金屬磨除比影響很大，這是由于尺寸效應(yīng)的作用。工件速度影響要小的多，使得法向力與金屬磨除比呈非線性關(guān)系。

　　綜合上述：磨削鈦合金材料應(yīng)選擇磨削參數(shù)：轉(zhuǎn)速45M/S，切削深0.01—0.02mm。

　　4 鈦合金磨削燒傷機(jī)理分析

　　鈦合金磨削過(guò)程中存在較嚴(yán)重的砂輪粘附，磨削力和磨削溫度都很高，因而容易產(chǎn)生磨削燒傷和裂紋。

　　用普通磨料磨削鈦合金時(shí)，即使磨削深度用量很小，磨削表面也會(huì)發(fā)生磨削燒傷和裂紋。大致表現(xiàn)為黃褐色斑，發(fā)紋狀裂紋，其方向與磨削方向垂直，用大磨削用量則表面還會(huì)有魚(yú)鱗狀皺疊和塑性變形的金屬熔敷物。這是一些什么物質(zhì)呢？我們看看碳化硅磨粒磨削鈦合金使得化學(xué)反應(yīng)式：SiC+Ti→TiC+Si，再看看碳化硅磨粒在一定大氣溫度下氧化反應(yīng)式：SiC+2O2→SiO2+CO2。

　　其中一部分碳原子會(huì)向被磨削工件表面擴(kuò)散，在滑擦剪切力的作用下，SiO2氧化膜剝離，造成SiC磨粒氧化磨損，而工件表面留下氧、碳元素的擴(kuò)散層，反作用于磨粒表面產(chǎn)生失去碳弱化層，SiC磨粒硬度強(qiáng)度下降，磨削力增大，砂輪磨損加劇，磨削溫度升高在所難免。從微觀上將，磨粒和粘附形成的過(guò)程是切削刃先出現(xiàn)小面積粘附逐漸大面積粘附，磨粒微細(xì)破碎，然后磨粒破碎脫落，鈦合金磨削區(qū)產(chǎn)生塑性變形。磨粒與工件相互粘結(jié)，這中間既有物理吸附作用，又有化學(xué)吸附作用，在加上相對(duì)滑擦的剪切力，被加工材料向磨粒轉(zhuǎn)移，這是砂輪粘附的整個(gè)過(guò)程。 　　砂輪粘附極易造成堵塞，使磨削區(qū)溫度升高，磨削表面沿工件層發(fā)生分布型磨削燒傷，伴有變質(zhì)層和殘余應(yīng)力。

　　磨削冷卻過(guò)程中在磨削深度較大時(shí)，磨削表面所產(chǎn)生的氧化膜密度達(dá)到超過(guò)臨界溫度，磨削弧區(qū)溫度就會(huì)因磨削液的成膜沸騰而急劇升高，冷卻效果變差。當(dāng)升高的溫度超過(guò)了普通磨料所能承受的極限時(shí)，磨粒會(huì)因軟化破壞而脫落。所以需要選用新型的超硬砂輪，進(jìn)一步增加磨削弧區(qū)的高溫耐受程度。

　　5 鈦合金磨削表面完整性分析

　　表面完整性是評(píng)價(jià)工業(yè)產(chǎn)品表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。機(jī)械加工的根本任務(wù)就是在特定條件下將工件轉(zhuǎn)化為能完成特定功能的零件，而零件的表面質(zhì)量是影響其使用性能的主要因素。表面完整性就是指表面粗糙度，表面殘余應(yīng)力，表層組織狀態(tài)的完好程度。包括零件加工后的表面紋理，表面冶金質(zhì)量。表面紋理主要包括粗糙度，波紋度，宏觀裂紋，皺褶和撕裂。表層冶金質(zhì)量主要包括微觀結(jié)構(gòu)變化，在結(jié)晶層，晶格間腐蝕微觀裂紋殘余應(yīng)力，合金貧化等。

　　6 試驗(yàn)結(jié)論

　　綜上所述，在生產(chǎn)實(shí)踐中通過(guò)仔細(xì)觀察，測(cè)量鈦合金磨削表面完整性的變化，調(diào)整合適的磨削參數(shù)，選用物理方法和化學(xué)方法進(jìn)一步改善磨削過(guò)程中的散熱以及潤(rùn)滑性。最終選擇碳化硅、陶瓷結(jié)合劑、80#粒度、較軟硬度或者中等硬度，組織較松的大氣孔砂輪是加工鈦合金磨削的最優(yōu)化方案。

　　7.1 安裝砂輪

　　1）對(duì)砂輪進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)砂輪質(zhì)量、硬度和外觀裂紋缺陷時(shí)不能使用。

　　2）法蘭盤(pán)與砂輪之間要墊好襯墊。

　　3）直徑大于或等于200mm的砂輪裝上砂輪卡盤(pán)后，應(yīng)先進(jìn)行靜平衡。

　　7.2 操作中

　　1）操作時(shí)要戴防護(hù)眼鏡。

　　2）檢查砂輪是否松動(dòng)、有裂紋、防護(hù)罩是否牢固、可靠，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不準(zhǔn)開(kāi)動(dòng)。

　　3）砂輪轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)超限，進(jìn)給前要選擇合理的吃刀量，要緩慢進(jìn)給。

　　4）裝卸工件時(shí)，砂輪要退到安全位置。

　　5）砂輪未退離工件時(shí)，不得停止砂輪。

　　8 結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)以上對(duì)鈦合金材料性能、磨削力、磨削參數(shù)的分析及如何選擇適合新型的砂輪的磨料，最終通過(guò)實(shí)際零件的反復(fù)加工，從中摸索出實(shí)際適合加工鈦合金材料的砂輪，加工后確保零件的表面完整性，解決了鈦合金磨削問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率，這只是對(duì)鈦合金材料（TC11）初步的總結(jié)和探討，希望對(duì)鈦合金材料需要磨削的航空產(chǎn)品有所幫助。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]潘金生等主編，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社，2005.3.

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　　[3]孟少農(nóng)主編，《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，機(jī)械工業(yè)出版社，1992.1.