陳 翱，吳超群，田 亮，胡士靖

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

鈦合金材料比強(qiáng)度高、耐熱耐蝕性能好，具有良好的綜合物理性能，且無(wú)磁性，疲勞強(qiáng)度高，是一種輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、航海、化工、武器裝備等工程應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但鈦合金工件在加工過(guò)程中存在磨削力大，磨削溫度高，工件材料粘附以及砂輪粘附嚴(yán)重等問(wèn)題，且其在高溫下具有很高的化學(xué)活性[4]，這些問(wèn)題導(dǎo)致了鈦合金磨削加工質(zhì)量難以控制，嚴(yán)重制約了加工的效率和質(zhì)量。常用Al2O3、金剛石、CBN三種磨料的砂輪來(lái)磨削鈦合金[5]，但效率質(zhì)量不高，本文采用薄片的CBN砂輪，用類似切割的磨削方式來(lái)提高效率和質(zhì)量。因此，探究薄片砂輪磨削參數(shù)對(duì)鈦合金工件表面粗糙度的影響，對(duì)提高鈦合金工件的加工效率以及表面質(zhì)量有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 砂輪磨削加工機(jī)理分析

利用砂輪磨削鈦合金工件時(shí)，接觸的部位有砂輪圓周面、端面及周棱，加工過(guò)程伴隨有摩擦、擠壓、劃擦，不同接觸位置的磨粒作用機(jī)理不同[6]。

薄片砂輪磨削工件時(shí)的零件磨削加工機(jī)理如圖1所示，圓周面上的磨粒在磨削過(guò)程中可以除去大部分的工件材料，是砂輪的最主要磨削部位，主要作用是切斷工件產(chǎn)生成型表面；端面磨粒起導(dǎo)向作用、與工件切面發(fā)生劃擦，只能去除少量工件材料，關(guān)系到切斷表面光潔度；砂輪周棱處磨粒是過(guò)渡區(qū)域，既承擔(dān)切斷工件任務(wù)，還參與工件切面加工。

圖1 零件磨削加工機(jī)理

薄片砂輪圓周面單顆磨粒的磨削模型如圖2所示，其去除材料過(guò)程與平面磨削過(guò)程相同，也存在滑擦階段(彈性變形)、耕犁階段(塑性變形)、切削階段(形成切屑)這三個(gè)過(guò)程[7-8]。

圖2 薄片砂輪圓周面單顆磨粒的磨削模型

本文采用當(dāng)量磨削厚度aeq來(lái)評(píng)判磨削過(guò)程，它表示一個(gè)在單位砂輪寬度上，實(shí)驗(yàn)所用砂輪與被磨工件之間的實(shí)際接觸弧長(zhǎng)度內(nèi)共同參與磨削加工工作的磨刃切削過(guò)程下的各個(gè)切屑橫截面積所集合而形成的假想橫截面面積的厚度[9]。砂輪理論切斷工件示意圖如圖3所示。

圖3 砂輪理論切斷工件位置示意圖

設(shè)aeq為當(dāng)量磨削厚度，T為總磨削時(shí)間，砂輪半徑為R，直徑為ds，砂輪片的厚度為b，工件位置為H，工件長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W，進(jìn)給速度為Vw，砂輪線速度Vs，砂輪理論上切斷工件時(shí)位置如圖3虛線所示，所以砂輪總位移：

(1)

則切斷工件總磨削時(shí)間：

(2)

根據(jù)單元磨削時(shí)間內(nèi)砂輪去除工件材料的體積Zw相等，可得：

(3)

所以當(dāng)量磨削厚度為：

(4)

比磨削能es指在磨削過(guò)程中去除單元體積材料所需要的能量，可以用于評(píng)價(jià)工件已加工表面質(zhì)量和砂輪磨削能力的優(yōu)劣，體現(xiàn)了磨粒去除工件材料的作用機(jī)理和作用程度，且比磨削能es與aeq成反比，當(dāng)aeq減小時(shí)比磨削能呈增大的趨勢(shì)[10-11]。這是因?yàn)槟ハ髂馨ㄈ糠帜芰俊バ夹纬赡堋⒏缒芎突聊?，而?shí)際上只有磨屑形成能用于材料的去除和形成新的加工表面；磨削時(shí)隨著當(dāng)量磨削厚度aeq的減小，由于磨削作用力的尺寸效應(yīng)和材料去除機(jī)理的變化，滑擦能和耕犁能將會(huì)增大，而磨屑形成能的大小基本不變，所以當(dāng)量磨削厚度aeq減小時(shí)，比磨削能呈增加的趨勢(shì)。由于該能量很大程度上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴鼓ハ鲄^(qū)的溫度上升，因而aeq也不能過(guò)小。

aeq與砂輪線速度、工件進(jìn)給速度、工件尺寸、工件磨削初始位置有關(guān)，且減小工件進(jìn)給速度、增大砂輪線速度、使工件磨削初始位置偏離砂輪中心可以減小aeq；aeq降低有利于減小磨削力，但會(huì)增大比磨削能，使磨削區(qū)溫度升高，應(yīng)合理控制aeq的大小。

1.2 試驗(yàn)材料設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)的材料為TC4鈦合金，將材料線切割成15mm×15mm×80mm的塊狀，其主要成分如表1[1]所示。本文試驗(yàn)均在FANUCα-T14iFb立式加工中心上完成，采用的CBN砂輪片直徑150mm，具體的參數(shù)如表2所示。

表1 TC4的元素成分

表2 樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪參數(shù)

選取工件位置H、砂輪轉(zhuǎn)速ns、工件進(jìn)給速度Vw這三個(gè)磨削加工中重要的參數(shù)作為三個(gè)因素，先進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)，單個(gè)分析H、ns、Vw這三個(gè)磨削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響機(jī)理，然后通過(guò)正交試驗(yàn)研究三個(gè)切削因素對(duì)表面粗糙度Ra值的影響程度，驗(yàn)證單因素試驗(yàn)結(jié)果的正確性，并得到最優(yōu)工藝參數(shù)。

設(shè)定單因素試驗(yàn)基準(zhǔn)量：在確定基準(zhǔn)量前進(jìn)行大量磨削試驗(yàn)， 從中選取一組交互作用較小因素作為切削基準(zhǔn)量——砂輪轉(zhuǎn)速為4500r/min、進(jìn)給速度為15mm/min、工件位置為66mm。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行鈦合金工件磨削試驗(yàn)，每組磨削參數(shù)水平組數(shù)重復(fù)進(jìn)行兩次，同時(shí)做好標(biāo)記；進(jìn)行完所有的磨削實(shí)驗(yàn)之后，將工件清洗干凈，用粗糙度儀測(cè)量并記錄加工表面的粗糙度Ra值，實(shí)驗(yàn)方案以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 單因素實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果

為分析這3個(gè)因素對(duì)表面質(zhì)量影響的主次關(guān)系，得到最優(yōu)磨削工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。該正交試驗(yàn)有3個(gè)影響因素——工件位置、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，每個(gè)因素水平數(shù)都設(shè)置為4，水平值如表4所示；設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)表是L16(45)，正交實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果如表5所示。按正交試驗(yàn)表依次進(jìn)行鈦合金零件磨削試驗(yàn)，用粗糙度儀測(cè)量已加工表面粗糙度值Ra(垂直于磨削紋理方向測(cè)量3次)，整理好試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，利用極差分析法分析每個(gè)磨削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra的影響規(guī)律和程度大小。

表4 正交試驗(yàn)因素和水平

表5 正交試驗(yàn)表及結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

不同砂輪轉(zhuǎn)速下得到的粗糙度值如圖4所示，一開(kāi)始表面粗糙度值隨砂輪線速度的增加而降低，這是因?yàn)樯拜喚€速度增大后，輪緣線速度增大，單位時(shí)間內(nèi)接觸磨削表面的磨粒變多，當(dāng)量切屑厚度aeq減小，單顆磨粒所受力變小，表面塑性變形和犁溝兩側(cè)的塑性隆起減小，同時(shí)在單元表面上形成的摩擦拋光紋路數(shù)增多，紋路軌跡間的間距減小，導(dǎo)致Ra數(shù)值減小。

圖4 粗糙度隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線

雖然砂輪線速度對(duì)粗糙度數(shù)值有一定的影響，但磨削表面的成形包括周棱的磨削及端面的摩擦擠壓，且磨削表面成形時(shí)摩擦拋光的作用較普通磨削強(qiáng)烈，當(dāng)ns>6000r/min時(shí)，由于摩擦劃痕的存在，粗糙度數(shù)值幾乎不再降低，當(dāng)線速度過(guò)高時(shí)，當(dāng)量切屑厚度aeq減小，比磨削能增大，導(dǎo)致磨削區(qū)溫度上升，造成工件表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，Ra的增幅急劇變大。

綜上所述，ns=4500～6000r/min時(shí)，粗糙度參數(shù)，加工表面質(zhì)量最優(yōu)。

2.2 工件進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

粗糙度隨進(jìn)給速度的變化曲線如圖5所示。一般情況隨著進(jìn)給速度提高，當(dāng)量磨削厚度aeq變大，單元時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒個(gè)數(shù)不變，單顆磨粒受力變大，工件塑性變形加大，再加上磨削劃痕兩側(cè)的材料凸起高度變大，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。但是從本次試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，隨著進(jìn)給速度的變大，Ra呈先減小后增大的變化規(guī)律，這是因?yàn)楫?dāng)工作臺(tái)進(jìn)給速度比較小時(shí)，磨削生成的大量火花長(zhǎng)時(shí)間與工件接觸，再加上只有少量冷卻液進(jìn)入磨削區(qū)域，造成工件表面發(fā)生燒傷，適當(dāng)提高工件進(jìn)給速度后，材料切屑排出速度增加，生成的大部分熱量還未傳入工件就被排除了磨削加工區(qū)，因而可以縮短工件與磨削高溫區(qū)的接觸時(shí)間，降低表面溫度，但是當(dāng)砂輪進(jìn)給速度過(guò)大時(shí)，磨削力大大升高，產(chǎn)生的熱量瞬間就使工件燒傷，涂覆增多，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。

圖5 粗糙度隨進(jìn)給速度的變化曲線

綜上所述，在滿足表面質(zhì)量的前提下，砂輪進(jìn)給速度可以取較大值，來(lái)提高加工效率。

2.3 工件位置對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

由圖6可知隨著工件位置H的增大，Ra單調(diào)降低，這是因?yàn)榭偰ハ鲿r(shí)間隨工件位置H的增加而增加，那么磨削同樣大小的工件，在砂輪轉(zhuǎn)速及工件進(jìn)給速度一致的情況下，H越大，單位時(shí)間內(nèi)磨削的材料越少，即當(dāng)量切屑厚度越小，表面粗糙度越小，但所需的加工時(shí)間增加，所以在滿足加工要求的前提下H值盡量選小一些，以提高加工效率。

圖6 粗糙度隨工件位置的變化曲線

2.4 磨削工藝參數(shù)對(duì)Ra的影響程度大小

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，由極差分析法可得到每個(gè)工藝參數(shù)所對(duì)應(yīng)的粗糙度值的極差如表6所示。

表6 計(jì)算的極差結(jié)果

比較計(jì)算的極差結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各磨削參數(shù)的極差K是不相等的，說(shuō)明各磨削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響程度不同。根據(jù)極差的大小順序排列各磨削參數(shù)的主次順序?yàn)椋汗ぜ恢?砂輪轉(zhuǎn)速>進(jìn)給速度，其中工件位置是對(duì)粗糙度Ra影響最大的因素。比較極差值的大小可知最優(yōu)的磨削參數(shù)組合為H4ns4Vw3。

3 結(jié)論

本文主要分析了薄片砂輪磨削TC4鈦合金材料的加工機(jī)理，并進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，分析比較了3個(gè)主要磨削參數(shù)對(duì)TC4材料磨削表面粗糙度的影響，最終得到最優(yōu)的磨削參數(shù)組合。

(1)砂輪圓周面磨粒是主要磨削部位，減小工件進(jìn)給速度、增大砂輪線速度、使工件磨削初始位置偏離砂輪中心可以減小磨削區(qū)磨粒的當(dāng)量磨屑厚度aeq，aeq降低有利于減小磨削力，但會(huì)增大比磨削能，使磨削區(qū)溫度變高，應(yīng)合理控制aeq。

(2)在一定范圍內(nèi)，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，磨削表面粗糙度值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；隨著工件進(jìn)給速度增大，表面粗糙度也呈先減小后增加的趨勢(shì)；隨著H變大，磨削表面粗糙度值呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)。三種磨削參數(shù)影響程度：工件位置>砂輪轉(zhuǎn)速>進(jìn)給速度。最優(yōu)磨削參數(shù)組合為工件位置59mm，砂輪轉(zhuǎn)速6000r/min，進(jìn)給速度25mm/min。