朱正清,陳志同
(1.北京航空航天大學(xué),北京 100191;2.棗莊北航機(jī)床創(chuàng)新研究院有限公司,棗莊 277000)
鈦合金材料比強(qiáng)度高,密度小,受熱情況穩(wěn)定,可以極大地減輕零件結(jié)構(gòu)的重量。由于其優(yōu)越的性能,鈦合金也常常被選為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及葉盤(pán)的制造材料,其質(zhì)量占整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的25%以上,僅次于高溫合金材料的用量[1]。但是鈦合金材料在數(shù)控磨拋加工中容易發(fā)生燒傷及黏附現(xiàn)象,且易與刀具發(fā)生化學(xué)作用而導(dǎo)致刀具磨損,屬于典型的難加工材料。目前,對(duì)于大部分鈦合金材料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及葉盤(pán)拋光加工,幾乎都采用的是人工打磨的方式,但打磨過(guò)程環(huán)境惡劣,打磨粉塵嚴(yán)重影響到人體健康,且葉片的人工打磨質(zhì)量一致性差,影響葉片的使用效果和服役性能,因此研究數(shù)控拋光有著十分重要的意義[2-3]。
針對(duì)鈦合金材料數(shù)控拋光加工問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究工作,研究的拋光方式主要可以分為數(shù)控輪式拋光[4-6]、數(shù)控砂帶拋光[7-9]以及磨粒流拋光[10-11],也包括拋光工具、拋光機(jī)構(gòu)以及拋光機(jī)理和工藝參數(shù)等方面的研究。目前常用的數(shù)控拋光工具有橡膠輪、羊毛氈輪、百葉輪和砂帶等,但各類數(shù)控拋光方式存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。橡膠輪和百葉輪主要用于被加工零件的表面粗拋光,在拋光過(guò)程中很容易磨損,同時(shí)磨料磨粒結(jié)合強(qiáng)度不夠高,經(jīng)常會(huì)發(fā)生從基體脫落的現(xiàn)象,在一次完整的拋光加工過(guò)程中往往需要更換多個(gè)拋光工具;羊毛氈輪則主要用于被加工零件的表面精拋光,但拋光過(guò)程中會(huì)存在大量的有害粉塵,嚴(yán)重影響人體健康和污染環(huán)境;砂帶在數(shù)控拋光過(guò)程中使用率較高,其拋光質(zhì)量和效率也都較好,但是由于砂帶本身的特殊性,在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)排氣邊、葉根等小結(jié)構(gòu)和小區(qū)域拋光過(guò)程中,存在一定的局限性,同時(shí),為實(shí)現(xiàn)零件表面隨形拋光,砂帶需要配套力控機(jī)構(gòu)才能執(zhí)行,對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的曲面,砂帶拋光需要使用六軸聯(lián)動(dòng)甚至是七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。
北京航空航天大學(xué)研制的具有中間過(guò)渡基體的復(fù)雜母線超硬磨料柔性拋光輪[12]體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在拋光過(guò)程中與工件表面保持彈性接觸,具有良好的拋光去除深度和表面粗糙度[13],尤其適合小區(qū)域結(jié)構(gòu)的數(shù)控拋光,但是超硬磨料柔性拋光輪在鈦合金材料數(shù)控拋光過(guò)程中,工藝參數(shù)對(duì)拋光表面粗糙度和拋光去除深度的影響規(guī)律和作用機(jī)理還尚不明朗。因此,本研究以常用鈦合金材料TC4 為試驗(yàn)對(duì)象,開(kāi)展了超硬磨料柔性拋光輪的數(shù)控拋光試驗(yàn)研究。
本研究針對(duì)TC4 鈦合金材料拋光試驗(yàn)過(guò)程中,主要研究探索超硬磨料柔性拋光輪主要拋光參數(shù)(轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、預(yù)壓量及行距)對(duì)TC4 鈦合金材料拋光去除深度及拋光后試件表面粗糙度的影響規(guī)律,并分析各拋光參數(shù)影響的主次關(guān)系,為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片及葉盤(pán)數(shù)控拋光提供理論基礎(chǔ)。
超硬磨料柔性拋光輪是一種以柔性基體為載體,外部附以CBN(立方氮化硼)、金剛石等超硬磨料的拋光工具,其微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(其中D為拋光輪大直徑;r為鼓形半徑)。磨料基體與橡膠構(gòu)成的柔性基體穩(wěn)定結(jié)合,磨料通過(guò)支撐物與橡膠隔絕,不會(huì)在拋光過(guò)程中受力擠壓到橡膠基體中,同時(shí)超硬材料形成的基體依托在支撐物上,支撐物和橡膠基體完全貼合,接合面積的提高大大增強(qiáng)了整個(gè)拋光工具的結(jié)合強(qiáng)度,因此金剛石磨料、CBN 等超硬磨料不會(huì)被擠壓到基體中而失去磨削作用。超硬磨料柔性拋光輪在拋光過(guò)程中,由規(guī)律排列在輪體表面的超硬磨粒來(lái)完成,單顆磨粒從微觀看,就像一個(gè)刀具刃角為鈍角的切削刀具,其大小與磨粒的粒度號(hào)有關(guān)。
圖1 超硬磨料柔性拋光輪微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of flexible polishing wheel
超硬磨料柔性拋光輪作為一種新型拋光工具,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等復(fù)雜曲面拋光方面具有較好的適應(yīng)性,其主要特點(diǎn)如下。
(1)超硬磨料柔性拋光輪結(jié)合了傳統(tǒng)的砂帶和拋光輪的優(yōu)勢(shì),具有砂帶磨削去量功能,且彈性基體使得拋光輪具有良好的拋光效果。
(2)超硬磨料柔性拋光輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低廉,可以為了適應(yīng)被拋光曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的母線形狀,有效避免拋光干涉。本課題組為適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片復(fù)雜特征結(jié)構(gòu)拋光而研制的不同母線拋光輪如圖2所示。圖3為超硬磨料柔性拋光輪拋光某型號(hào)葉片葉根以及緣板等結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。
圖2 不同結(jié)構(gòu)的超硬磨料柔性拋光輪Fig.2 Superhard abrasive flexible polishing wheels with different structures
圖3 葉根以及緣板等結(jié)構(gòu)的拋光Fig.3 Polishing of leaf roots and edge plates
(3)超硬磨料柔性拋光輪具有柔性能力,可以通過(guò)控制拋光預(yù)壓量來(lái)調(diào)節(jié)拋光效果,這樣可以大程度地降低數(shù)控拋光對(duì)零件定位精度和機(jī)床精度的要求。
試驗(yàn)所用材料為鈦合金TC4,如圖4所示,為首次精銑完后的TC4 試件塊,規(guī)格為100mm×100mm×35mm,加工面尺寸為100mm×100mm,在加工面上反復(fù)進(jìn)行精銑和拋光以開(kāi)展不同參數(shù)的拋光試驗(yàn)。用Taylor Hobson 粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)得銑削后的TC4 試件塊表面粗糙度Ra為2.2~2.5μm。試驗(yàn)設(shè)備為三軸立式數(shù)控拋光機(jī)床 (工作臺(tái)行程:X為350mm,Y為700mm,Z為450mm,數(shù)控系統(tǒng)為臺(tái)灣新代數(shù)控系統(tǒng))。
圖4 精銑后的TC4 試件塊Fig.4 TC4 block after finish milling
根據(jù)本課題組在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片鈦合金材料數(shù)控拋光方面的經(jīng)驗(yàn),選取400#金剛石磨料柔性拋光輪(D24r1.5)對(duì)TC4 鈦合金材料進(jìn)行數(shù)控拋光,如圖5所示。整個(gè)拋光試驗(yàn)過(guò)程中選定的拋光轉(zhuǎn)速、拋光預(yù)壓量、進(jìn)給速度以及拋光行距參數(shù)范圍見(jiàn)表1。
表1 拋光轉(zhuǎn)速、拋光預(yù)壓量、進(jìn)給速度以及拋光行距參數(shù)范圍Table 1 Parameter range of polishing speed,compression,feed speed and row pitch
圖5 數(shù)控拋光Fig.5 Numerical control polishing
試件拋光后,采用千分表在機(jī)測(cè)量的方式,測(cè)量試驗(yàn)拋光部分的材料去除深度,即通過(guò)拋光前后千分表的讀數(shù)差值來(lái)計(jì)算拋光去除量(圖6(a)),同時(shí),采用Taylor Hobson 粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量拋光表面的粗糙度(圖6(b))。
圖6 拋光后指標(biāo)測(cè)量Fig.6 Measurement after polishing
本次拋光試驗(yàn)主要考察兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo):拋光去除深度及拋光后表面粗糙度。因此,為了描述各拋光參數(shù)對(duì)此兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律,本研究采用單因素試驗(yàn)法開(kāi)展試驗(yàn),在制備好的拋光試件上分別對(duì)金剛石磨料柔性拋光輪的拋光轉(zhuǎn)速、預(yù)壓量、進(jìn)給速度和行距做單因素拋光研究,分析數(shù)控拋光中這4個(gè)主要拋光參數(shù)對(duì)TC4 試件拋光去除深度及拋光后表面粗糙度的影響規(guī)律。
2.2.1 轉(zhuǎn)速
在探究拋光輪轉(zhuǎn)速對(duì)去除深度和表面粗糙度的影響規(guī)律時(shí),根據(jù)單因素試驗(yàn)原理,控制進(jìn)給速度、預(yù)壓量以及行距不變,分別選取不同的拋光速度進(jìn)行試驗(yàn),具體參數(shù)如下:固定設(shè)置進(jìn)給速度為1600mm/min,預(yù)壓量為0.2mm,行距為0.25mm,轉(zhuǎn)速均勻間隔選取6000~12000r/min。拋光完后對(duì)試件拋光去除深度和表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量,以觀察不同拋光轉(zhuǎn)速下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度和拋光去除深度的影響Fig.7 Effect of polishing speed on surface roughness and polishing removal depth
可以看出,拋光去除深度隨轉(zhuǎn)速的增加而增大,這與Preston 方程[14]的單位時(shí)間磨削去除量與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系類似,且轉(zhuǎn)速增大,同一區(qū)域被拋光輪上的磨粒磨削的次數(shù)增多,從而使得拋光去除深度增加。拋光表面粗糙度隨著拋光轉(zhuǎn)速增大而呈現(xiàn)的變化規(guī)律是先減小后增大,其原因在于:當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí),精銑刀紋并不能被完全去除,故表面粗糙度值較大;轉(zhuǎn)速增大,平面上的高點(diǎn)被拋光的次數(shù)增多,使得工件表面的質(zhì)量變好,然而,當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定值時(shí),拋光時(shí)產(chǎn)生的熱量及切屑不能及時(shí)排出,導(dǎo)致被拋下來(lái)的鈦合金粉末黏附在工件表面上,同時(shí)使得拋光去量增速放緩,從而使得表面粗糙度升高。因此,在超硬磨料柔性拋光輪對(duì)鈦合金拋光過(guò)程中,隨著轉(zhuǎn)速的增大,會(huì)出現(xiàn)表面粗糙度先減小后增大的規(guī)律,在本研究單因素試驗(yàn)中,拋光轉(zhuǎn)速為10000r/min 左右時(shí),拋光表面粗糙度最低。
2.2.2 預(yù)壓量
拋光預(yù)壓量均勻間隔選取0.1~0.4mm,固定轉(zhuǎn)速8000 r/min,進(jìn)給速度1600mm/min,行距0.25mm,拋光完后對(duì)試件拋光去除深度和表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量,以觀察不同預(yù)壓量下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。預(yù)壓量的影響規(guī)律如圖8所示??芍?,拋光去除深度隨拋光預(yù)壓量的增大近似線性增大,在前期課題組的研究結(jié)果中得到了拋光接觸壓力與壓緊量的變化也是呈線性正相關(guān)的[5],因此,預(yù)壓量越大,拋光接觸力也越大,拋光去除深度隨之增加,這與Preston 方程中磨削去量與相對(duì)壓力之間的變化規(guī)律也是一致的。表面粗糙度則是隨拋光預(yù)壓量的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì),其原因在于:當(dāng)預(yù)壓量太小時(shí),拋光輪的去除材料能力較低,沒(méi)有將精銑刀紋完全去除,所以表面粗糙度值較高;預(yù)壓量太大時(shí),接觸壓力增大使得拋光溫度升高、拋光去量增大,鈦合金粉末排屑不及時(shí)導(dǎo)致黏附在工件表面上,并且接觸壓力增大使得磨粒對(duì)工件表面的滑擦痕跡更深,導(dǎo)致表面粗糙度升高。在本研究單因素試驗(yàn)中,拋光預(yù)壓量約為0.25mm 時(shí),拋光表面粗糙度最低。
圖8 預(yù)壓量對(duì)表面粗糙度及拋光去除深度的影響Fig.8 Effect of compression on surface roughness and polishing removal depth
2.2.3 進(jìn)給速度
如圖9所示,拋光進(jìn)給速度均勻間隔選取1400~2000mm/min,固定轉(zhuǎn)速8000r/min,預(yù)壓量0.2mm,行距0.25mm,拋光完后對(duì)試件拋光去除深度和表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量,以觀察不同進(jìn)給速度下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。
圖9 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度及拋光去除深度的影響Fig.9 Effect of feed speed on surface roughness and polishing removal depth
可知,進(jìn)給速度對(duì)拋光去除深度及表面粗糙度的影響都較小,進(jìn)給速度的大小決定了拋光輪在單位區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間的長(zhǎng)短,停留時(shí)間長(zhǎng),拋光輪去除材料強(qiáng)度大,停留時(shí)間長(zhǎng),拋光輪去除材料強(qiáng)度小,所以拋光去除深度隨進(jìn)給速度的增大是呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì),表面粗糙度則隨進(jìn)給速度的變化基本上保持平穩(wěn)的趨勢(shì)。
2.2.4 拋光行距
拋光行距選取范圍為0.18~0.34 mm,固定轉(zhuǎn)速8000r/min,進(jìn)給速度1600mm/min,預(yù)壓量0.2mm,以觀察不同拋光行距下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。拋光行距的影響規(guī)律如圖10所示。
圖10 行距對(duì)表面粗糙度及拋光去除深度的影響Fig.10 Effect of row pitch on surface roughness and polishing removal depth
可以看出,表面粗糙度是隨著拋光行距增大而增大的,而拋光去除深度是隨著拋光行距增大而減小的。這是因?yàn)殡S著拋光行距增大,工件上被重復(fù)拋光的區(qū)域面積減小,即單位區(qū)域上被拋光的次數(shù)減少,使得拋光去除深度隨之減小,表面粗糙度值也隨之增大??梢韵胂?,如果拋光行距足夠大,工件單位區(qū)域拋光次數(shù)將為0,即工件表面沒(méi)有進(jìn)行拋光,此時(shí),表面粗糙度為工件初始值。在拋光過(guò)程中,拋光行距會(huì)影響到拋光時(shí)間,所以,拋光過(guò)程中可以根據(jù)對(duì)拋光效率和拋光質(zhì)量的要求合理選擇拋光行距。
為了分析金剛石磨料柔性拋光輪的拋光轉(zhuǎn)速、預(yù)壓量、進(jìn)給速度和行距對(duì)拋光去除深度以及拋光表面粗糙度的影響主次關(guān)系,本研究設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)[15],采用極差法來(lái)分析此4 個(gè)拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光去除深度以及拋光表面粗糙度的主次順序。正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
設(shè)m為正交試驗(yàn)表中任意一列各個(gè)因素的水平出現(xiàn)的次數(shù),此處m的值為3,Hk為任意一列中水平序號(hào)為k時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果之和,令hk=Hk/m,則各因素的極差值R(各因素在其取值范圍內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)變化的幅度)可以按以下公式計(jì)算,
根據(jù)表2的數(shù)據(jù),計(jì)算得到的各因素極差值如表3所示。其中,極差值越大,該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,則從表3中可以知道,影響拋光去除深度的因素主次順序?yàn)椋簰伖忸A(yù)壓量、拋光轉(zhuǎn)速、編程行距、進(jìn)給速度;影響拋光表面粗糙度的因素主次順序?yàn)椋簰伖廪D(zhuǎn)速、拋光預(yù)壓量、編程行距、進(jìn)給速度。
表2 拋光去除深度和表面粗糙度的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test result of polishing removal depth and surface roughness
表3 各因素的極差值Table 3 Range value of each factor
根據(jù)拋光參數(shù)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)結(jié)果可知,拋光轉(zhuǎn)速和拋光預(yù)壓量對(duì)拋光去除深度及表面粗糙度的影響較大,而拋光進(jìn)給速度和拋光行距對(duì)拋光去除深度及表面粗糙度的影響相對(duì)較小。其中,拋光去除深度隨著拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量的增大而明顯增大,這與Preston 方程中磨削去量與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度之間以及磨削去量與相對(duì)接觸壓力之間的變化規(guī)律是一致的,速度和接觸力越大,拋光輪去除材料的能力越強(qiáng)。而拋光表面粗糙度隨著拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量的增大而呈現(xiàn)的規(guī)律則是先減小后增大,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增大到一定值時(shí),拋光時(shí)產(chǎn)生的熱量及切屑不能及時(shí)排出,導(dǎo)致被拋下來(lái)的鈦合金粉末黏附在工件表面上(圖11),使得拋光去除深度增速放緩,并且表面粗糙度升高。同樣預(yù)壓量太大時(shí),接觸壓力增大使得拋光溫度升高、拋光去除深度增大,鈦合金粉末排屑不足導(dǎo)致黏附在工件表面上,并且接觸壓力增大使得磨粒對(duì)工件表面的滑擦痕跡更深,導(dǎo)致表面粗糙度升高。
圖11 鈦合金黏附表面Fig.11 Titanium alloy adhesion surface
進(jìn)一步對(duì)鈦合金試件表面黏附物質(zhì)進(jìn)行成分分析,如圖12所示,通過(guò)對(duì)比可以看出黏附物質(zhì)成分與鈦合金試件基本相同,可以認(rèn)為鈦合金試件在拋光過(guò)程中,其表面材料微粒經(jīng)過(guò)拋光輪的磨削作用與零件分離出來(lái),當(dāng)拋光輪線速度較高,分離的鈦合金粉末來(lái)不及分散,黏附在試件表面,從而產(chǎn)生黏附現(xiàn)象。
圖12 鈦合金試件及黏附物質(zhì)成分Fig.12 Composition of titanium alloy and adhesion material
因此,利用金剛石柔性拋光輪對(duì)鈦合金TC4 材料進(jìn)行數(shù)控拋光過(guò)程中,為避免拋光表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象,有效地控制表面質(zhì)量和拋光去量,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際加工條件,合理地選擇拋光過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù):轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量。因?yàn)閽伖膺^(guò)程中,不合適的轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量會(huì)使得TC4 材料的拋光表面質(zhì)量變壞。而拋光進(jìn)給速度和拋光編程行距對(duì)拋光去除深度及表面粗糙度的影響較小,但對(duì)拋光效率影響較大,因此,在合理地選擇了拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量之后,應(yīng)根據(jù)拋光效率要求選擇合理的進(jìn)給速度和拋光行距。
(1)采用單因素試驗(yàn)法,探究了金剛石磨料柔性拋光輪的拋光速度、進(jìn)給速度、預(yù)壓量以及拋光行距等這些主要拋光工藝參數(shù)對(duì)TC4 鈦合金材料拋光的去除深度和表面粗糙度的影響規(guī)律,并通過(guò)四因素三水平的正交試驗(yàn)分析了拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光表面粗糙度和拋光去除深度的主次影響關(guān)系,為后續(xù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片數(shù)控拋光過(guò)程提供理論支持。
(2)通過(guò)物質(zhì)成分對(duì)比,確認(rèn)了鈦合金拋光表面黏附物為拋光過(guò)程中分離出的鈦合金粉末,并分析了其表面黏附物的形成原因。
(3)拋光轉(zhuǎn)速和拋光預(yù)壓量是影響拋光質(zhì)量的主要因素,而拋光行距和拋光進(jìn)給速度的對(duì)拋光質(zhì)量的影響相對(duì)較小。其中,過(guò)大的拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量會(huì)使得TC4 材料拋光表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象,使得拋光表面質(zhì)量降低,在后續(xù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片拋光過(guò)程中應(yīng)慎重地選擇拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量,以防葉片表面出現(xiàn)黏附現(xiàn)象。