霍文國(guó) 徐九華 傅玉燦 戚厚軍

1.天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300222

2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222 3.南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、艦船和化工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用［1］，由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、在較高溫度下的化學(xué)活性大，因此鈦合金磨削加工時(shí)，很容易發(fā)生較嚴(yán)重的砂輪黏附磨損，產(chǎn)生磨削燒傷［2－3］。

任敬心等［4］通過(guò)不同磨粒、硬度和粒度的砂輪磨削鈦合金實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)砂輪黏附程度明顯不同，采用CBN磨料砂輪和浸滲固體潤(rùn)滑劑的砂輪可以抑制鈦合金的黏附。Xu等［5］通過(guò)對(duì)SiC、Al2O3和CBN砂輪磨削鈦合金的研究發(fā)現(xiàn)：采用SiC、Al2O3砂輪磨削時(shí)，磨粒發(fā)生擴(kuò)散磨損，磨削溫度迅速升高，進(jìn)而使磨粒與工件發(fā)生嚴(yán)重的黏附磨損，而CBN砂輪磨削時(shí)以磨耗磨損為主，在溫度較高的情況下CBN磨粒仍具有很高的穩(wěn)定性。Golabczak［6］認(rèn)為采用CBN超硬磨料砂輪能夠提升砂輪磨削性能，減少功率消耗，延長(zhǎng)砂輪壽命。Yang等［7］開(kāi)展了單層釬焊CBN砂輪成形磨削鈦合金的研究，結(jié)果表明：釬焊CBN砂輪具有良好的動(dòng)態(tài)鋒利性，加工精度和表面質(zhì)量均得到明顯改善。安慶龍等［8］在解決鈦合金磨削燒傷問(wèn)題時(shí)，提出了采用低溫氣動(dòng)噴霧射流沖擊冷卻技術(shù)磨削鈦合金的思路，并開(kāi)發(fā)出一套低溫氣動(dòng)噴霧射流沖擊冷卻系統(tǒng)，將其應(yīng)用于鈦合金的磨削加工中。Teicher等［9］通過(guò)對(duì)比干磨、油冷卻和涂附MoS2輔助磨削等冷卻方式的磨削試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)鈦合金磨削的冷卻潤(rùn)滑條件可以抑制磨削燒傷。唐建設(shè)等［10］，史興寬等［11］和李偉等［12］提出將化學(xué)添加劑及固體潤(rùn)滑劑等物質(zhì)滲浸至砂輪孔隙中研制“化學(xué)滲浸砂輪”的設(shè)想，對(duì)浸漬砂輪干磨削鈦合金的研究發(fā)現(xiàn)：浸漬砂輪可以起到減小磨削力、降低磨削弧區(qū)溫度及防止砂輪表面黏附的作用。

本文基于綠色制造理念，結(jié)合CBN砂輪技術(shù)和固體潤(rùn)滑技術(shù)開(kāi)展固體自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪干式磨削鈦合金的研究，以期實(shí)現(xiàn)鈦合金的綠色磨削加工。

1 自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪制備

1.1 材料的選擇

CBN具有高強(qiáng)度、高硬度、顆粒形狀好、良好的導(dǎo)熱性和較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異特性，非常適合作為磨料。本文選擇牌號(hào)CBN－982，粒度為140／170目CBN磨料，砂輪的CBN濃度為0.66g／cm3。石墨是一種性能優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑材料，選用300目的石墨粉末作為固體潤(rùn)滑添加劑。自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪選擇Cu－Sn－Ti合金作為結(jié)合劑。

1.2 制備工藝

首先將石墨粉末、Cu－Sn－Ti粉末混合并加入適量成形劑后攪拌均勻，然后再加入磨料混合，再次加入適量成形劑后攪拌均勻。將粉末填裝進(jìn)專(zhuān)用模具中，由769YP－24B型粉末壓片機(jī)在20MPa模壓壓力下壓制成形。將成形的砂輪粉末壓坯放在150℃的烘箱內(nèi)保持1h，選擇適當(dāng)?shù)臏囟裙に囀鼓チ吓c金屬粉末在VAF－20真空退火爐內(nèi)發(fā)生冶金反應(yīng)，保溫溫度為1030℃，保溫一定時(shí)間后隨爐冷卻，再將制備好的砂輪體與砂輪柄焊接在一起。加工出的砂輪工具如圖1所示。

圖1 自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪

1.3 砂輪試樣強(qiáng)度測(cè)試

砂輪抗彎強(qiáng)度σw是反映砂輪性能的一個(gè)重要參數(shù)。不同石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的CBN砂輪試樣的三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪抗彎強(qiáng)度與石墨含量的關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，隨著w的增大，砂輪試樣的σw減小。砂輪試樣的σw減小的主要原因是，石墨是一種很軟的礦物，具有良好的滑移性，容易造成材料整體強(qiáng)度的減小。

2 微觀組織分析

石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪斷面形貌如圖3所示，由圖可見(jiàn)，磨粒之間存在一定的孔隙，結(jié)合劑沒(méi)有將CBN完全包住，磨粒之間存在結(jié)合橋，這種結(jié)構(gòu)利于強(qiáng)化結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力。

圖3 自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪微觀組織

單顆CBN磨粒周?chē)奈⒂^形貌結(jié)構(gòu)如圖3b所示，由圖可見(jiàn)，結(jié)合劑與CBN磨粒之間發(fā)生了良好的浸潤(rùn)反應(yīng)。結(jié)合面的線(xiàn)掃描結(jié)果如圖4所示，由圖可見(jiàn)，石墨大都是以游離態(tài)的形式存在的，銅和錫在結(jié)合界面處出現(xiàn)一個(gè)峰值，CBN磨粒表層的鈦元素含量明顯增大，據(jù)此，可判定砂輪中的粉末冶金材料與CBN磨粒發(fā)生了化學(xué)冶金結(jié)合，且結(jié)合劑在制備過(guò)程中與CBN發(fā)生了良好的浸潤(rùn)反應(yīng)。

為進(jìn)一步分析砂輪內(nèi)部的石墨存在形式，對(duì)砂輪內(nèi)部石墨處進(jìn)行了點(diǎn)掃描分析，圖5是砂輪斷面石墨能譜定量分析圖，由圖可見(jiàn)，該處碳元素比例明顯高于砂輪內(nèi)部的其他元素，由此可以推斷：該處的石墨是游離態(tài)的石墨，亦即CBN砂輪內(nèi)部存在著一定量的游離態(tài)石墨，因在高溫焊接時(shí)液相的結(jié)合劑會(huì)將一部分石墨包裹住，所以電鏡下難以發(fā)現(xiàn)其蹤跡。

圖4 CBN與結(jié)合劑結(jié)合界面能譜分析

圖5 砂輪斷面石墨能譜定量分析

3 自潤(rùn)滑CBN砂輪干式磨削特性

3.1 試樣制備

用Ti6Al4V（TC4）板材作為磨削試樣，其化學(xué)成分符合GB／T3620.1－1994標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸為150mm×40mm×8mm，磨削面尺寸為150mm×8mm。其室溫下的主要力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度925MPa，屈服強(qiáng)度870MPa，延伸率12%，維氏顯微硬度3100MPa。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在MMD7125精密平面磨床和GD0800C牧田電磨試驗(yàn)裝置上進(jìn)行（圖6）。選用的自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為：粒度140／170目，砂輪外徑12mm，其石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%；綠色碳化硅砂輪（GC60P7V）的技術(shù)參數(shù)和修整工藝為：陶瓷結(jié)合劑，粒度140／170目，砂輪外徑12mm，磨削加工前采用金剛石筆對(duì)砂輪進(jìn)行修銳。

圖6 試驗(yàn)裝置

采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型掃描電鏡（SEM）觀察試驗(yàn)砂輪表面形貌；試驗(yàn)采用單因素法進(jìn)行，磨削方式為平面干式逆磨，選用的磨削參數(shù)為：砂輪速度vs為4～18m／s，工件進(jìn)給速度vw為2～10m／min，磨削深度ap為0.005～0.025mm。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 砂輪磨損表面形貌

綠色碳化硅砂輪在 vs＝15m／s、vw＝4 m／min、ap＝0.01mm條件下干式磨削鈦合金200行程后的砂輪表面形貌如圖7a所示，由圖可見(jiàn)，碳化硅砂輪表面有大塊鈦合金黏附物，黏附物的表面有明顯的磨削痕跡，據(jù)此可知，鈦合金黏附物比較牢固地黏在了砂輪表面，參與了后續(xù)的磨削過(guò)程。由于砂輪黏附物參與磨削，使磨削力和工件表層溫度進(jìn)一步增大和提高。砂輪表面黏附物能譜分析如圖7b所示，由圖可見(jiàn)，黏附物的主要成分為鈦，表明砂輪表面的黏附物主要為鈦合金磨屑。

圖7 碳化硅砂輪表面形貌

CBN砂輪磨削磨損表面形貌如圖8所示，由圖可見(jiàn)，CBN磨料砂輪因其超硬磨料本身的化學(xué)穩(wěn)定性好，不易和鈦合金發(fā)生親和黏附，加上良好的固體自潤(rùn)滑條件，使自潤(rùn)滑CBN砂輪磨料的鋒利度得以長(zhǎng)時(shí)間保持。即使經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的磨削，砂輪表面也未見(jiàn)明顯的鈦合金黏附和堵塞。

3.3.2 磨削工件表面形貌

綠色碳化硅砂輪和自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪磨削鈦合金工件表面形貌如圖9所示，由圖可見(jiàn)，在較小磨削用量下磨削時(shí)，普通綠色碳化硅砂輪磨削工件表面出現(xiàn)魚(yú)鱗狀疊摺和劇烈塑性變形的金屬熔融物，說(shuō)明局部的溫度已經(jīng)非常高；而自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪在磨削深度為0.025mm下磨削時(shí)，工件的表面無(wú)明顯黏附物，表面劃痕較為均勻，表明自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪具有良好的切削加工性能，砂輪磨粒動(dòng)態(tài)鋒利度得以長(zhǎng)時(shí)間保持，易獲得較好的工件表面形貌。

3.3.3 磨削工件斷面金相組織

不同砂輪磨削鈦合金工件的斷面顯微組織如圖10所示，合金是α＋β相的共晶組織，由圖可見(jiàn)，自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪磨削工件表層顯微組織與基體的顯微組織相比較，晶粒沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，而由綠色碳化硅砂輪加工的工件表面表層出現(xiàn)了大量的塊狀α相，表明砂輪切削性能對(duì)工件表層組織產(chǎn)生了明顯的影響。

圖8 CBN砂輪磨削磨損表面形貌

圖9 不同類(lèi)型砂輪磨削鈦合金的表面形貌

圖10 工件表層斷面組織

3.3.4 磨削工件斷面顯微硬度

不同類(lèi)型砂輪磨削的鈦合金工件縱切面顯微硬度如圖11所示，由圖可見(jiàn)，自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪在磨削鈦合金時(shí)沿?cái)嗝娴娘@微硬度變化很小且不規(guī)則，最大硬度值小于基體硬度值的10%，硬化層深度小于40μm，沒(méi)有明顯的加工軟化層；采用綠色碳化硅砂輪磨削的工件斷面表層硬化層的顯微硬度高于自潤(rùn)滑CBN砂輪磨削的斷面表層硬化層的顯微硬度，且在距表層深度80～160μm區(qū)間形成一個(gè)加工軟化層。

圖11 磨削工件斷面的顯微硬度曲線(xiàn)

4 結(jié)論

（1）以CBN、銅錫鈦（Cu－Sn－Ti）合金粉末及固體潤(rùn)滑劑（石墨）為原料，利用相關(guān)工藝制備了自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪，砂輪中磨粒分布均勻，砂輪強(qiáng)度滿(mǎn)足加工要求，磨粒與結(jié)合劑反應(yīng)形成化學(xué)冶金結(jié)合，砂輪內(nèi)部存在游離態(tài)石墨。

（2）在 vs＝15m／s、vw＝2m／min、ap＝0.01mm用量組合的情況下，與普通綠色碳化硅砂輪相比，自潤(rùn)滑金屬結(jié)合劑CBN砂輪具有良好的干式磨削鈦合金的加工性能，加工的工件表面質(zhì)量及性能良好，無(wú)明顯金相組織和顯微硬度變化。

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