朱正清，陳志同

（1.北京航空航天大學，北京 100191；2.棗莊北航機床創(chuàng)新研究院有限公司，棗莊 277000）

鈦合金材料比強度高，密度小，受熱情況穩(wěn)定，可以極大地減輕零件結構的重量。由于其優(yōu)越的性能，鈦合金也常常被選為航空發(fā)動機葉片及葉盤的制造材料，其質量占整個航空發(fā)動機的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控磨拋加工中容易發(fā)生燒傷及黏附現象，且易與刀具發(fā)生化學作用而導致刀具磨損，屬于典型的難加工材料。目前，對于大部分鈦合金材料的航空發(fā)動機葉片及葉盤拋光加工，幾乎都采用的是人工打磨的方式，但打磨過程環(huán)境惡劣，打磨粉塵嚴重影響到人體健康，且葉片的人工打磨質量一致性差，影響葉片的使用效果和服役性能，因此研究數控拋光有著十分重要的意義[2-3]。

針對鈦合金材料數控拋光加工問題，國內外不少學者開展了相關研究工作，研究的拋光方式主要可以分為數控輪式拋光[4-6]、數控砂帶拋光[7-9]以及磨粒流拋光[10-11]，也包括拋光工具、拋光機構以及拋光機理和工藝參數等方面的研究。目前常用的數控拋光工具有橡膠輪、羊毛氈輪、百葉輪和砂帶等，但各類數控拋光方式存在各自的優(yōu)缺點。橡膠輪和百葉輪主要用于被加工零件的表面粗拋光，在拋光過程中很容易磨損，同時磨料磨粒結合強度不夠高，經常會發(fā)生從基體脫落的現象，在一次完整的拋光加工過程中往往需要更換多個拋光工具；羊毛氈輪則主要用于被加工零件的表面精拋光，但拋光過程中會存在大量的有害粉塵，嚴重影響人體健康和污染環(huán)境；砂帶在數控拋光過程中使用率較高，其拋光質量和效率也都較好，但是由于砂帶本身的特殊性，在對航空發(fā)動機葉片進排氣邊、葉根等小結構和小區(qū)域拋光過程中，存在一定的局限性，同時，為實現零件表面隨形拋光，砂帶需要配套力控機構才能執(zhí)行，對于結構相對復雜的曲面，砂帶拋光需要使用六軸聯動甚至是七軸聯動數控機床。

北京航空航天大學研制的具有中間過渡基體的復雜母線超硬磨料柔性拋光輪[12]體積小、結構簡單，在拋光過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)域結構的數控拋光，但是超硬磨料柔性拋光輪在鈦合金材料數控拋光過程中，工藝參數對拋光表面粗糙度和拋光去除深度的影響規(guī)律和作用機理還尚不明朗。因此，本研究以常用鈦合金材料TC4 為試驗對象，開展了超硬磨料柔性拋光輪的數控拋光試驗研究。

本研究針對TC4 鈦合金材料拋光試驗過程中，主要研究探索超硬磨料柔性拋光輪主要拋光參數（轉速、進給速度、預壓量及行距）對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，并分析各拋光參數影響的主次關系，為后續(xù)航空發(fā)動機鈦合金葉片及葉盤數控拋光提供理論基礎。

1 超硬磨料柔性拋光輪

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，其微觀結構見圖1（其中D為拋光輪大直徑；r為鼓形半徑）。磨料基體與橡膠構成的柔性基體穩(wěn)定結合，磨料通過支撐物與橡膠隔絕，不會在拋光過程中受力擠壓到橡膠基體中，同時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了整個拋光工具的結合強度，因此金剛石磨料、CBN 等超硬磨料不會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程中，由規(guī)律排列在輪體表面的超硬磨粒來完成，單顆磨粒從微觀看，就像一個刀具刃角為鈍角的切削刀具，其大小與磨粒的粒度號有關。

圖1 超硬磨料柔性拋光輪微觀結構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)動機葉片等復雜曲面拋光方面具有較好的適應性，其主要特點如下。

（1）超硬磨料柔性拋光輪結合了傳統的砂帶和拋光輪的優(yōu)勢，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構簡單、體積小、成本低廉，可以為了適應被拋光曲面結構設計不同的母線形狀，有效避免拋光干涉。本課題組為適應航空發(fā)動機葉片復雜特征結構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葉片葉根以及緣板等結構的實物圖。

圖2 不同結構的超硬磨料柔性拋光輪Fig.2 Superhard abrasive flexible polishing wheels with different structures

圖3 葉根以及緣板等結構的拋光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，可以通過控制拋光預壓量來調節(jié)拋光效果，這樣可以大程度地降低數控拋光對零件定位精度和機床精度的要求。

2 TC4 鈦合金數控拋光試驗

2.1 試驗條件

試驗所用材料為鈦合金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，在加工面上反復進行精銑和拋光以開展不同參數的拋光試驗。用Taylor Hobson 粗糙度測量儀測得銑削后的TC4 試件塊表面粗糙度Ra為2.2～2.5μm。試驗設備為三軸立式數控拋光機床 （工作臺行程：X為350mm，Y為700mm，Z為450mm，數控系統為臺灣新代數控系統）。

圖4 精銑后的TC4 試件塊Fig.4 TC4 block after finish milling

根據本課題組在航空發(fā)動機葉片鈦合金材料數控拋光方面的經驗，選取400#金剛石磨料柔性拋光輪（D24r1.5）對TC4 鈦合金材料進行數控拋光，如圖5所示。整個拋光試驗過程中選定的拋光轉速、拋光預壓量、進給速度以及拋光行距參數范圍見表1。

表1 拋光轉速、拋光預壓量、進給速度以及拋光行距參數范圍Table 1 Parameter range of polishing speed,compression,feed speed and row pitch

圖5 數控拋光Fig.5 Numerical control polishing

試件拋光后，采用千分表在機測量的方式，測量試驗拋光部分的材料去除深度，即通過拋光前后千分表的讀數差值來計算拋光去除量（圖6（a）），同時，采用Taylor Hobson 粗糙度測量儀測量拋光表面的粗糙度（圖6（b））。

圖6 拋光后指標測量Fig.6 Measurement after polishing

2.2 工藝參數對拋光去除深度和表面粗糙度的影響試驗

本次拋光試驗主要考察兩個評價指標：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對此兩個評價指標的影響規(guī)律，本研究采用單因素試驗法開展試驗，在制備好的拋光試件上分別對金剛石磨料柔性拋光輪的拋光轉速、預壓量、進給速度和行距做單因素拋光研究，分析數控拋光中這4個主要拋光參數對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 轉速

在探究拋光輪轉速對去除深度和表面粗糙度的影響規(guī)律時，根據單因素試驗原理，控制進給速度、預壓量以及行距不變，分別選取不同的拋光速度進行試驗，具體參數如下：固定設置進給速度為1600mm/min，預壓量為0.2mm，行距為0.25mm，轉速均勻間隔選取6000～12000r/min。拋光完后對試件拋光去除深度和表面粗糙度進行測量，以觀察不同拋光轉速下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。試驗結果如圖7所示。

圖7 轉速對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，拋光去除深度隨轉速的增加而增大，這與Preston 方程[14]的單位時間磨削去除量與相對運動速度的關系類似，且轉速增大，同一區(qū)域被拋光輪上的磨粒磨削的次數增多，從而使得拋光去除深度增加。拋光表面粗糙度隨著拋光轉速增大而呈現的變化規(guī)律是先減小后增大，其原因在于：當轉速太低時，精銑刀紋并不能被完全去除，故表面粗糙度值較大；轉速增大，平面上的高點被拋光的次數增多，使得工件表面的質量變好，然而，當轉速增大到一定值時，拋光時產生的熱量及切屑不能及時排出，導致被拋下來的鈦合金粉末黏附在工件表面上，同時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鈦合金拋光過程中，隨著轉速的增大，會出現表面粗糙度先減小后增大的規(guī)律，在本研究單因素試驗中，拋光轉速為10000r/min 左右時，拋光表面粗糙度最低。

2.2.2 預壓量

拋光預壓量均勻間隔選取0.1～0.4mm，固定轉速8000 r/min，進給速度1600mm/min，行距0.25mm，拋光完后對試件拋光去除深度和表面粗糙度進行測量，以觀察不同預壓量下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。預壓量的影響規(guī)律如圖8所示?？芍?，拋光去除深度隨拋光預壓量的增大近似線性增大，在前期課題組的研究結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的[5]，因此，預壓量越大，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壓量的增大呈先減小后增大的變化趨勢，其原因在于：當預壓量太小時，拋光輪的去除材料能力較低，沒有將精銑刀紋完全去除，所以表面粗糙度值較高；預壓量太大時，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導致黏附在工件表面上，并且接觸壓力增大使得磨粒對工件表面的滑擦痕跡更深，導致表面粗糙度升高。在本研究單因素試驗中，拋光預壓量約為0.25mm 時，拋光表面粗糙度最低。

圖8 預壓量對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 進給速度

如圖9所示，拋光進給速度均勻間隔選取1400～2000mm/min，固定轉速8000r/min，預壓量0.2mm，行距0.25mm，拋光完后對試件拋光去除深度和表面粗糙度進行測量，以觀察不同進給速度下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。

圖9 進給速度對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，進給速度對拋光去除深度及表面粗糙度的影響都較小，進給速度的大小決定了拋光輪在單位區(qū)域內停留時間的長短，停留時間長，拋光輪去除材料強度大，停留時間長，拋光輪去除材料強度小，所以拋光去除深度隨進給速度的增大是呈現緩慢減小的趨勢，表面粗糙度則隨進給速度的變化基本上保持平穩(wěn)的趨勢。

2.2.4 拋光行距

拋光行距選取范圍為0.18～0.34 mm，固定轉速8000r/min，進給速度1600mm/min，預壓量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。這是因為隨著拋光行距增大，工件上被重復拋光的區(qū)域面積減小，即單位區(qū)域上被拋光的次數減少，使得拋光去除深度隨之減小，表面粗糙度值也隨之增大?？梢韵胂螅绻麙伖庑芯嘧銐虼?，工件單位區(qū)域拋光次數將為0，即工件表面沒有進行拋光，此時，表面粗糙度為工件初始值。在拋光過程中，拋光行距會影響到拋光時間，所以，拋光過程中可以根據對拋光效率和拋光質量的要求合理選擇拋光行距。

2.3 拋光去除深度和表面粗糙度的影響參數主次分析

為了分析金剛石磨料柔性拋光輪的拋光轉速、預壓量、進給速度和行距對拋光去除深度以及拋光表面粗糙度的影響主次關系，本研究設計了四因素三水平的正交試驗[15]，采用極差法來分析此4 個拋光工藝參數對拋光去除深度以及拋光表面粗糙度的主次順序。正交試驗方案和試驗結果如表2所示。

設m為正交試驗表中任意一列各個因素的水平出現的次數，此處m的值為3，Hk為任意一列中水平序號為k時的試驗結果之和，令hk=Hk/m，則各因素的極差值R（各因素在其取值范圍內試驗指標變化的幅度）可以按以下公式計算，

根據表2的數據，計算得到的各因素極差值如表3所示。其中，極差值越大，該因素對試驗指標的影響越大，則從表3中可以知道，影響拋光去除深度的因素主次順序為：拋光預壓量、拋光轉速、編程行距、進給速度；影響拋光表面粗糙度的因素主次順序為：拋光轉速、拋光預壓量、編程行距、進給速度。

表2 拋光去除深度和表面粗糙度的正交試驗結果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

2.4 試驗結果分析

根據拋光參數單因素試驗及正交試驗結果可知，拋光轉速和拋光預壓量對拋光去除深度及表面粗糙度的影響較大，而拋光進給速度和拋光行距對拋光去除深度及表面粗糙度的影響相對較小。其中，拋光去除深度隨著拋光轉速和預壓量的增大而明顯增大，這與Preston 方程中磨削去量與相對運動速度之間以及磨削去量與相對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。而拋光表面粗糙度隨著拋光轉速和預壓量的增大而呈現的規(guī)律則是先減小后增大，這是因為轉速增大到一定值時，拋光時產生的熱量及切屑不能及時排出，導致被拋下來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。同樣預壓量太大時，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致黏附在工件表面上，并且接觸壓力增大使得磨粒對工件表面的滑擦痕跡更深，導致表面粗糙度升高。

圖11 鈦合金黏附表面Fig.11 Titanium alloy adhesion surface

進一步對鈦合金試件表面黏附物質進行成分分析，如圖12所示，通過對比可以看出黏附物質成分與鈦合金試件基本相同，可以認為鈦合金試件在拋光過程中，其表面材料微粒經過拋光輪的磨削作用與零件分離出來，當拋光輪線速度較高，分離的鈦合金粉末來不及分散，黏附在試件表面，從而產生黏附現象。

圖12 鈦合金試件及黏附物質成分Fig.12 Composition of titanium alloy and adhesion material

因此，利用金剛石柔性拋光輪對鈦合金TC4 材料進行數控拋光過程中，為避免拋光表面產生黏附現象，有效地控制表面質量和拋光去量，應該根據實際加工條件，合理地選擇拋光過程中的兩個關鍵參數：轉速和預壓量。因為拋光過程中，不合適的轉速和預壓量會使得TC4 材料的拋光表面質量變壞。而拋光進給速度和拋光編程行距對拋光去除深度及表面粗糙度的影響較小，但對拋光效率影響較大，因此，在合理地選擇了拋光轉速和預壓量之后，應根據拋光效率要求選擇合理的進給速度和拋光行距。

3 結論

（1）采用單因素試驗法，探究了金剛石磨料柔性拋光輪的拋光速度、進給速度、預壓量以及拋光行距等這些主要拋光工藝參數對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，并通過四因素三水平的正交試驗分析了拋光工藝參數對拋光表面粗糙度和拋光去除深度的主次影響關系，為后續(xù)的航空發(fā)動機鈦合金葉片數控拋光過程提供理論支持。

（2）通過物質成分對比，確認了鈦合金拋光表面黏附物為拋光過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）拋光轉速和拋光預壓量是影響拋光質量的主要因素，而拋光行距和拋光進給速度的對拋光質量的影響相對較小。其中，過大的拋光轉速和預壓量會使得TC4 材料拋光表面產生黏附現象，使得拋光表面質量降低，在后續(xù)對航空發(fā)動機鈦合金葉片拋光過程中應慎重地選擇拋光轉速和預壓量，以防葉片表面出現黏附現象。