張曉玲，徐三魁，鄒文俊，彭 進(jìn)

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

鈦合金專用磨具的研究進(jìn)展

張曉玲，徐三魁，鄒文俊，彭 進(jìn)

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

鈦合金是一種典型的難加工材料，鈦合金磨削加工工件表層極易發(fā)生燒傷，其主要原因是鈦合金在磨削過程中極易粘附在磨具表面，使磨具失效。開展鈦合金的磨削加工的研究，尋求性能優(yōu)良的磨削加工工具和最優(yōu)的加工參數(shù)以保證鈦合金材料磨削加工的質(zhì)量是生產(chǎn)中待解決并有著重大實(shí)際意義的課題,是國內(nèi)外科研工作者研究的熱點(diǎn)之一。本文介紹了國內(nèi)外鈦合金磨削加工的現(xiàn)狀，著重分析了鈦合金磨削燒傷現(xiàn)象，并對現(xiàn)有磨削方法進(jìn)行分析。

鈦合金；磨削；磨具粘附；磨削燒傷

鈦合金是一種重要的金屬材料，擁有韌性好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫性能好等一系列優(yōu)異的特性，因此在石油化工行業(yè)、航空航天行業(yè)、建筑行業(yè)、體育用品行業(yè)、生物醫(yī)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。鈦合金在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛地得到應(yīng)用，尤其在制造飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等產(chǎn)品時(shí)成為不可缺少的材料。近年來，我國鈦材料的需求量也在迅速增加，已成為繼美國和歐洲之后的第三大鈦產(chǎn)品消費(fèi)國[4]。

在社會(huì)飛速發(fā)展的今天，科技發(fā)展和產(chǎn)品性能的提高，使得工業(yè)制造對鈦合金零件的尺寸精度和表面粗糙度要求越來越高。而目前鈦合金的磨削加工性能依然很差，磨削時(shí)存在很多難題[5-8]。鈦合金優(yōu)良性能的特性使之得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也正是它的優(yōu)良特性造成了鈦合金材料機(jī)械加工困難，長期以來在一定程度上又制約了它的應(yīng)用。

1 TC4 鈦合金材料的典型物理性能

鈦的外觀近似于鋼，呈銀灰色，具有光澤。鈦的密度4.51 g/cm3左右變化，Ti-6Al-4V的相變點(diǎn)在990℃，導(dǎo)熱系數(shù)低，為8.79～12.98 W/(m·℃)。使用較多的鈦合金材料主要是TC4，其大致成分是 Ti-6A1-4V，室溫物理力學(xué)性能 σb=932MPa，σ0.2=834MPa，δ=10%，W= 30%，αk=39.24×104(J/m2)，線膨脹系數(shù)為7.89×10-6℃，硬度 HBS=320～360，E=111 GPa,λ=6.8 W/(m·℃)。TC4鈦合金硬度HB>350，熱導(dǎo)率為5.44W/(m·℃) 低于指標(biāo)8倍，相對切削加工性Kr=0.25～0.38，是典型的難加工材料。

按照相組成進(jìn)行分類，鈦合金可分為α鈦合金、近α鈦合金、β鈦合金及(α+β)鈦合金。航空工業(yè)中使用較多的是(α+β)型鈦合金，其中添加有 2%～10%的 β 穩(wěn)定元素，常用的牌號(hào)有 TC4(Ti-6A1-4V)和 TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si-2Zr-0.25Fe)等[9-12]。

2 鈦合金材料的磨削特性

鈦合金材料的磨削加工的特性主要有[9-16]：

(1)磨削比較低，砂輪粘附嚴(yán)重。鈦合金材料硬度比較低，材料表面摩擦性能差，極易與對磨材料發(fā)生黏著，造成砂輪表面粘附、堵塞現(xiàn)象(如圖1所示)，使砂輪耐磨性變差。同時(shí)，隨著磨削的進(jìn)行，砂輪磨粒上粘附的鈦合金與工件發(fā)生對磨，在磨削表面形成附著，并且造成砂輪磨損嚴(yán)重，磨削比急速下降。

圖1 砂輪堵塞圖片

(2)磨削溫度較高，磨削力較大。鈦合金材料的磨削過程不是一個(gè)單純的磨粒切削工件的過程，在合金真正形成磨屑前，經(jīng)歷了劃擦、耕犁等變化過程，且劃擦過程在整個(gè)磨削過程占據(jù)很大比重，產(chǎn)生大量的磨削熱，溫度高達(dá)1000～1500℃。由于鈦合金有著良好的熱穩(wěn)定性，其在高溫情況下，依然可以保持較高的強(qiáng)度和硬度，故磨削力較大。同時(shí)，磨粒和合金表面的擠壓過程也導(dǎo)致磨削力較大，法向磨削分力比磨削 45#鋼大數(shù)倍，切向磨削分力大近一倍。

圖2 TC4磨屑

(3)表面質(zhì)量不易把控。鈦合金材料在磨削過程中，易變形復(fù)雜形成層疊狀擠裂切屑(如圖2所示)。在磨削高溫的作用下，材料表面極易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiH、TiO2、TiN等硬脆層，降低了材料塑性；磨削高溫也會(huì)導(dǎo)致合金產(chǎn)生微裂紋、表層金相組織發(fā)生變化等熱缺陷。高溫造成的磨削燒傷，使工件表面質(zhì)量變差。

3 磨具及磨削參數(shù)的選擇

3.1 磨具的選擇

鈦合金磨削要求磨具：粘附小，磨損小，不易堵塞，磨削溫度低。不同的磨料種類、磨料粒度、結(jié)合劑種類磨削鈦合金，其砂輪的粘附程度不同[17]。為解決鈦合金材料的磨削問題，找到合適的磨具及磨削參數(shù)國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究探索，得到了一些有益的結(jié)論。

毛淑芳等[18]設(shè)計(jì)了磨削鈦合金專用陶瓷結(jié)合劑的碳化硅磨具配方和超硬磨料的CBN磨具配方，并對這兩組磨具配方進(jìn)行了磨削實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)超硬磨具配方比普通磨具配方做出的砂輪磨削效果要好得多。文中還指出，碳化硅磨具配方中所用的粘土-長石-石英-硼玻璃陶瓷結(jié)合劑化學(xué)穩(wěn)定性好，硼玻璃作為熔劑原料的添加，顯著的提高磨具強(qiáng)度，改善磨削性能，此類結(jié)合劑用于碳化硅磨具制造，可顯著減少工件燒傷和裂紋、提高磨削效率和磨削比。

霍文國等[19]用釬焊CBN砂輪和釬焊金剛石砂輪磨削Ti6Al4V 板材進(jìn)行磨削試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明磨削過鈦合金后的多層釬焊 CBN 砂輪和金剛石砂輪磨削表面無粘附(表面微觀形貌如圖3所示)，磨粒劃痕較為均勻，這主要是因?yàn)椴捎免F焊燒結(jié)技術(shù)制備的超硬磨料砂輪的磨粒出刃較好，磨粒鋒利，容屑空間大，鈦合金不易粘附。超硬磨料砂輪磨削后的工件表層顯微組織與基體的顯微組織相比較，晶粒沒有發(fā)生明顯地變化。多層釬焊超硬磨料砂輪磨削鈦合金斷面的顯微組織如圖4所示。

圖3 磨削工件表面微觀形貌( vs= 16 m / s，vw= 2 m / min， ap= 0. 025 mm )

圖4 超硬磨料砂輪磨削工件表層組織

華僑大學(xué)的徐西鵬教授[20]曾深入研究樹脂結(jié)合劑CBN砂輪磨削鈦合金的磨削性能，研究發(fā)現(xiàn)CBN砂輪緩磨鈦合金時(shí)能長期保持鋒利的原因不是由于自銳作用，而是CBN磨料不會(huì)與鈦合金發(fā)生粘附且具有良好耐磨性的緣故。CBN磨料本身具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性、它的超硬超耐磨特性與緩磨本身的低溫特征所構(gòu)成的最佳工藝組合是解決鈦合金難磨問題的理想途徑。

圖5 砂帶磨拋試驗(yàn)裝置

英國諾丁漢大學(xué)的D.A.Axinte*，M.Kritmanorot 等人[21]進(jìn)行了耐熱鈦合金的砂帶磨拋研究。他們所用的拋光試驗(yàn)裝置如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：砂帶磨削能在一兩個(gè)行程內(nèi)磨掉工件上原來的加工痕跡，即使工件具有較大的表面粗糙度；砂帶磨削能達(dá)到很高的表面粗糙度(Ra≤0.35μm)；拋光后工件表面沒有明顯的熱影響區(qū)。

南京航空航天大學(xué)研究生任守良在導(dǎo)師徐九華的指導(dǎo)下[22]，從砂帶磨損的角度分析了鋯剛玉和黑色碳化硅兩種不同磨粒砂帶的磨削性能并進(jìn)行試驗(yàn)研究：鋯剛玉砂帶，在磨削初期主要以破碎磨損為主，在穩(wěn)定磨損階段，以摩擦磨損和粘附磨損為主，在磨削后期主要以脫落磨損為主。而黑色碳化硅砂帶，在磨削初期和穩(wěn)定磨損階段都以摩擦磨損為主，在磨削后期則以脫落和堵塞為主。表面粗糙度隨砂帶速度的增大而減小，隨工件速度的增大而增大，隨磨削深度的增大而增大。

大連理工大學(xué)的董志剛[23]使用大氣孔普通氣孔兩種微晶剛玉砂輪采用逆磨削方式，切入式磨削，加工TC17。使用顯微鏡觀察放大倍數(shù)為500倍的鈦合金磨削表面形貌，如圖6，兩種砂輪磨削后的鈦合金表面狀況均存在溝痕和缺陷，可明顯看出，大氣孔微晶砂輪磨削后的鈦合金表面比普通微晶剛玉磨削后的，溝痕更少，缺陷更輕，表面質(zhì)量更好。

圖6 鈦合金典型磨削表面形貌

3.2 磨削參數(shù)的選擇

韓野、崔海軍[24]研究了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨拋加工鈦合金TC4性能，所用的金剛石砂輪參數(shù)如表1所示。通過磨削實(shí)驗(yàn)，得出：磨拋溫度隨著進(jìn)給速度、磨拋深度的增大而增大，隨著砂輪線速度的增大而減??；單位寬度磨拋力隨著進(jìn)給速度、磨拋深度的增大而增大，隨著砂輪線速度的增大而減??；工件表面粗糙度值隨著進(jìn)給速度、砂輪線速度增大而減小，Ra值均小于 0.8μm。

表1 金剛石砂輪參數(shù)

胥軍[25-26]以砂輪線速度、工作臺(tái)進(jìn)給速度、磨削深度為三因素對磨削力進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析磨削用量對磨削力影響的顯著性，對切向磨削力和法向磨削力正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。結(jié)果表明：砂輪線速度對磨削力的影響最大，其次是磨削深度，最后是工作臺(tái)進(jìn)給速度。這與普通材料磨削時(shí)結(jié)果存在差異，普通材料磨削時(shí)磨削深度對磨削力的影響最為顯著。原因是鈦合金材料磨削極易出現(xiàn)粘附，材料主要以滑擦、耕犁的形式去除；另外，本試驗(yàn)?zāi)ハ魃疃容^小，對磨削力的影響不顯著。

吉林化工學(xué)院的呂春蘭副教授[27]通過試驗(yàn)對離心研磨加工TC21的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在使用相同粒徑(5 mm)的氧化鋁磨料、不同滾輪轉(zhuǎn)速的情況下，被磨削的TC21的表面粗糙度的變化。發(fā)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速對加工質(zhì)量有著比較大的影響。轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)，表面粗糙度最大，加工效果最差。轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)，在加工30min時(shí)，表面粗糙度最小，繼續(xù)加工，粗糙度反而增大。轉(zhuǎn)速為240r/min，加工時(shí)長為40min時(shí)，工件表面粗糙度最小。使用離心研磨工藝加工鈦合金有效消除了工件表面的加工紋理和缺陷，驗(yàn)證了使用離心研磨工藝加工 TC21鈦合金是行之有效的。

郝丙君在其導(dǎo)師郭東明教授的指導(dǎo)下[28]，用大氣孔微晶剛玉砂輪磨削TC17鈦合金進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，探究了砂輪線速度、工件進(jìn)給速度以及磨削深度對磨削溫度的影響規(guī)律，試驗(yàn)?zāi)ハ鲄?shù)如表2所示。得出：(1)隨著砂輪線速度的提高和工件進(jìn)給速度的降低，磨削溫度隨之升高。砂輪線速度增加，單位時(shí)間參與磨削的磨粒數(shù)目，磨粒與工件的摩擦擠壓作用增強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量增加，磨削溫度升高。工件與砂輪的相對運(yùn)動(dòng)減慢，砂輪磨粒與工件材料接觸時(shí)間變長，熱量傳導(dǎo)進(jìn)入工件減多，工件表面溫度升高。(2)磨削深度增加，磨削溫度明顯上升。磨削深度增加導(dǎo)致砂輪與工件接觸弧長變長，使得磨粒與工件的摩擦擠壓作用加劇，這也大大加強(qiáng)了熱源產(chǎn)生的磨削熱，是磨削溫度升高。(3)磨削深度對于磨削溫度影響比砂輪速度和工件進(jìn)給速度更加顯著。

表2 磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)語

目前，人們對鈦合金材料的使用需求量越來越大，要求也越來越高，鈦合金的表面質(zhì)量直接制約了其在很多方面的應(yīng)用。鈦合金在磨削加工中存在磨削溫度高、材料粘附等一系列問題，對于工件表面完整性有很大影響，這就對磨削鈦合金專用磨具提出了很高的要求。雖然目前國內(nèi)外鈦合金磨削加工的研究不管是在配方優(yōu)化還是在工藝研究以及磨削表面質(zhì)量檢測已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是要想達(dá)到工業(yè)應(yīng)用中對鈦合金材料磨削更精更細(xì)更優(yōu)的要求，人們對鈦合金專用磨具的研究需要進(jìn)一步加深，工藝參數(shù)需進(jìn)一步的優(yōu)化。在以后的研究中，努力尋求更佳磨具，優(yōu)化磨削參數(shù)，豐富試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完善表面監(jiān)測手段，深化理論研究。推進(jìn)鈦合金材料的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展具有重要的理論和實(shí)際意義。

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(本文文獻(xiàn)格式：張曉玲，徐三魁，鄒文俊，等.鈦合金專用磨具的研究進(jìn)展[J].山東化工,2017,46(3):52-55.)

Research Progress of the Abrasive for Titanium

ZhangXiaoling,XuSankui,ZouWenjun,PengJin

(School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

Titanium alloy is a kind of typical difficult-to-machine materials,of which the grinding surface is prone to burn. The main reason is that the titanium alloy is easy to adhere on the surface of the grinding tools in the process of grinding,which makes the grinding tools lose effectiveness. It is a subject to be solved and of great practical importance in the production to carry out research on the grinding of titanium alloy and seek grinding tools of excellent performance and the optimal processing parameters to guarantee the quality of titanium alloy materials in grinding process. This paper introduced the present situation of the titanium alloy grinding,analyzed the phenomenon of grinding burn titanium alloy,and analyzed the existing grinding method.

titanium alloy;grinding;abrasive adhesion;grinding burns

2016-12-05

張曉玲(1990—)，女，碩士生，研究方向?yàn)闃渲Y(jié)合劑CBN磨具；通訊作者：徐三魁(1967-)，博士，教授，主要從事超細(xì)功能材料，催化材料的研究。

TQ050.4+1

A

1008-021X(2017)03-0052-04