基于鈦合金砂帶磨削的磨削率、表面質(zhì)量及砂帶壽命性能試驗(yàn)研究*

劉瑞杰,黃云,黃智,肖貴堅(jiān)

0 引言

鈦合金目前被廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星、坦克、潛艇和精密儀器上,其具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕性好、減震性能好、尺寸穩(wěn)定、資源豐富、容易回收,在 500℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是,由于鈦合金某些特殊的物理、機(jī)械性能、致使鈦合金很難進(jìn)行磨削加工。鈦合金在高溫下具有很強(qiáng)的化學(xué)活性,容易使磨料產(chǎn)生化學(xué)磨損和粘附磨損,砂帶磨粒切刃很快磨鈍,容屑空間被堵塞,致使砂帶失去切削能力,所以磨削鈦合金時(shí)的磨削比很低[1],且砂帶使用壽命短。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋁的 1/4、鋼的 1/5,而鈦合金摩擦系數(shù)卻很高,這樣,在磨削過(guò)程中將產(chǎn)生大量磨削熱,由于磨削熱不能迅速傳出磨削區(qū),則必將引起磨削區(qū)溫度過(guò)高,而使工件產(chǎn)生磨削燒傷,從而嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量。

針對(duì)鈦合金磨削加工磨削率低,砂帶使用壽命短以及表面質(zhì)量差等問(wèn)題,我們分別用正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)砂帶磨削鈦合金的磨削率、表面質(zhì)量及砂帶壽命進(jìn)行了一系列的性能試驗(yàn)研究,得到了很多十分有用的結(jié)論。本文的研究不但可以改善鈦合金的表面質(zhì)量,提高鈦合金的磨削率,而且有助于擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍,延長(zhǎng)砂帶的使用壽命,對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有理論指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)是在重慶市表面材料精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的砂帶磨削性能測(cè)試機(jī)床上進(jìn)行的,如圖 1所示,機(jī)床由砂帶磨頭、驅(qū)動(dòng)裝置、工裝與夾具、電氣控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。試驗(yàn)時(shí)采用精度為0.1g的電子秤測(cè)量工件質(zhì)量,用秒表記錄磨削時(shí)間,采用吸塵器對(duì)磨屑粉塵吸收處理,而工件轉(zhuǎn)速則以電機(jī)實(shí)際頻率表示。

圖 1 無(wú)心外圓砂帶磨削性能測(cè)試機(jī)床

試驗(yàn)方案表 1顯示了本文的實(shí)驗(yàn)工藝條件。由于與砂輪磨削相類(lèi)似,砂帶磨削也是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程,涉及到多個(gè)影響因素,且錯(cuò)綜復(fù)雜。不同的條件,不同的磨削參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的磨削效果。因而分析各種條件和參數(shù)對(duì)砂帶磨削性能的影響,對(duì)于正確使用砂帶磨削這一技術(shù)是十分重要的。根據(jù)有關(guān)砂帶磨削性能要求及評(píng)定指標(biāo),本實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目涉及砂帶磨削參數(shù)的材料切除率、磨削力、砂帶壽命、砂帶磨削表面質(zhì)量及磨削噪音等。其中磨削力和磨削溫度直接關(guān)系砂帶磨削性能,是重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目;砂帶線速度通過(guò)砂帶磨削試驗(yàn)機(jī)的變頻控制磨頭結(jié)合傳動(dòng)比即可確定;工件表面形貌可以通過(guò)帶 RS232串口的表面粗糙度儀和掃描電鏡分析。

表 1 砂帶磨削的實(shí)驗(yàn)條件

在具體磨削實(shí)驗(yàn)時(shí),首先通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn),測(cè)試磨削過(guò)程中影響磨削力、磨削率及表面質(zhì)量的主要因素,然后分析不同條件下砂帶的磨損情況。

(1)改變砂帶線速度：法向磨削力不變的情況下,采取 Vs=(5～40)m/s,對(duì)工件進(jìn)行磨削。測(cè)量工件磨削前后質(zhì)量的變化,計(jì)算材料去除率。

(2)改變法向壓力 Fn：在砂帶線速度不變的情況下,采取恒壓力磨削方式,采取 Fn=(0.5～6.5)N/cm;對(duì)工件進(jìn)行磨削加工,測(cè)量工件磨削前后的質(zhì)量,計(jì)算材料去除率 Zw。

(3)對(duì) TC4鈦合金材料在不同砂帶線速度和法向磨削壓力條件下進(jìn)行干磨和水磨,測(cè)量工件磨削前后的質(zhì)量,計(jì)算材料去除率,比較干磨和水磨的工件加工表面質(zhì)量,砂帶的磨損情況。

(4)改變磨料種類(lèi)：采用 P400碳化硅砂帶,鎬剛玉砂帶,氧化鋁砂帶作對(duì)比進(jìn)行磨削試驗(yàn),測(cè)量工件磨削前后的質(zhì)量,計(jì)算材料去除率,對(duì)比不同磨料的材料去除能力。

(5)砂帶壽命：在一定的磨削條件下,對(duì)鈦合金進(jìn)行砂帶壽命(耐用度)試驗(yàn),觀察和分析砂帶隨時(shí)間變化的磨損情況。

2 磨削率試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)鈦合金材料砂帶磨削加工效率的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：砂帶磨削的材料去除效率與其自身的結(jié)構(gòu)特性和表面形貌以及加工方式有密切關(guān)系。圖 2顯示了在法向磨削壓力一定的條件下,砂帶線速度對(duì)鈦合金材料去除率的影響規(guī)律。從圖中可以看出：①在一定范圍內(nèi),材料去除率 Zw隨砂帶線速度Vs增加而增加,但 Vs增加到一定的限度,Zw隨即減小。這是因?yàn)?Vs增加,單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)磨削區(qū)的磨粒數(shù)目增加,即有效切削刃數(shù)目增加,但是隨著 Vs增加到一定程度,當(dāng) Vs為 28m/s左右時(shí),單顆磨粒切刃在磨削區(qū)的駐留時(shí)間縮短,如果 Vs過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致磨粒不足以切入工件表面,只產(chǎn)生滑擦、耕犁作用,從而影響材料去除率的繼續(xù)提高,材料去除率下降;②對(duì)應(yīng)較好的磨削效果存在最佳的線速度值,材料去除率達(dá)到最大值;因此,對(duì)不同的砂帶可以找到一個(gè)最佳的磨削速度范圍,然后選擇在此范圍內(nèi)將保證較高的材料去除率。

圖 2 砂帶線速度對(duì)TC 4鈦合金材料去除率的影響

隨著時(shí)間的變化砂帶磨損對(duì)材料去除率的影響也是很明顯的。在砂帶磨削初期,磨粒因破碎而磨損較快,以后進(jìn)入以磨耗磨損為主的穩(wěn)定磨損階段。在磨削初期,砂帶刃形鋒利,參加切削的磨粒數(shù)目較多,雖然磨損率較大,但磨粒磨損問(wèn)題還不很大,因而這個(gè)階段砂帶切削能力,材料切除效率最大。隨著磨削過(guò)程的進(jìn)行,砂帶進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段,此時(shí)磨粒在經(jīng)過(guò)初期的頂尖破碎、折斷或部分脫落以后,鋒利性降低,切削能力相對(duì)減弱,材料去除效率也減小,但減少不多,曲線比較平緩,如圖 3所示。

圖 3 砂帶磨削時(shí)材料去除效率與磨削時(shí)間的關(guān)系

但需要注意的是,當(dāng)砂帶的磨損超過(guò)一定限度時(shí),材料去除效率就會(huì)低于某個(gè)預(yù)期值。若繼續(xù)使用砂帶,不僅有可能出現(xiàn)工件磨削表面燒傷,而且效率太低也會(huì)使加工成本上升。所以可以把預(yù)定的材料切除率值作為衡量砂帶壽命的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

法向磨削力也是影響材料去除率極為重要的因素之一：

由圖 4可看出,對(duì) TC4鈦合金進(jìn)行變壓力磨削時(shí),材料切除率與法向壓力間無(wú)明顯規(guī)律可循。其法向磨削壓力臨界值及對(duì)應(yīng)的材料切除率如表 2所示。

圖 4 法向磨削力對(duì)TC 4鈦合金材料去除率的影響

表 2 法向壓力臨界值與材料去除率的關(guān)系

采用較大的 Fn可提高磨削效率,但壓力過(guò)大會(huì)引起砂帶打滑、拉斷、脫落等,影響砂帶使用壽命。

砂帶磨粒的種類(lèi)、粒度、砂帶的硬度及植砂方式對(duì)材料切除率也都有很大影響。一般地：陶瓷磨料、鋯剛玉磨料砂帶材料去除能力明顯優(yōu)于氧化鋁和碳化硅,即在相同條件下,鋯剛玉、陶瓷磨料的材料去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧化鋁和碳化硅。這與磨料本身的特性密切相關(guān),陶瓷及鋯剛玉磨料韌性好、自銳性好,在磨削過(guò)程中,承受載荷能力強(qiáng),隨著單顆磨粒承受的平均載荷增加,磨粒不斷自銳出新的磨粒,繼續(xù)參與磨削,保證了磨削的連續(xù)性與一致性,而氧化鋁、碳化硅磨料自銳性差,逐漸磨鈍成一個(gè)個(gè)小平面,主要起拋光作用,材料去除能力下降。在砂帶磨削中,粒度的選擇也將直接影響加工效率。材料切除率同粒度號(hào)呈相反趨勢(shì)變化,即粒度號(hào)越大,磨粒越細(xì),材料切除率越低,這是因?yàn)槟チＴ郊?xì),所切下的切屑越薄,相應(yīng)地,滑擦與耕犁作用越大,而切削作用較弱。砂帶硬度和植砂方式也影響材料切除率,砂帶基材越硬,其切除能力越強(qiáng),加工時(shí)材料切除率也越大,故聚酯纖維基材砂帶的材料切除率比布基、紙基砂帶的要大。由于靜電植砂砂帶的切刃更加鋒利,切削能力更強(qiáng),所以用靜電植砂砂帶的材料切除率要高于重力植砂砂帶。

選擇合適的砂帶磨料及粒度對(duì)于提高砂帶磨削的材料去除率起著至關(guān)重要的作用。另外,接觸輪表面硬度較大,并開(kāi)斜槽,可提高材料去除率,適當(dāng)?shù)哪ハ饕阂部纱偈共牧先コ实奶岣摺?/p>

3 表面質(zhì)量試驗(yàn)分析

在本實(shí)驗(yàn)條件下不同磨料砂帶磨削鈦合金時(shí),其材料切削過(guò)程與普通金屬類(lèi)似,出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象,即工件表面變黑,也出現(xiàn)了附著物和塑性流變的涂覆層。其實(shí)粘附物在切削剛開(kāi)始就已經(jīng)有了,只是粘附較輕,隨著交互作用過(guò)程的進(jìn)行粘附物增大,使磨粒耕犁、切削作用減小、擠壓滑擦作用增多、交互作用力變大、溫度升高、交互作用條件惡化,這樣粘附越嚴(yán)重?；谖覀兊膶?shí)驗(yàn)和觀察,工件表面燒傷層由 A涂覆層、B氧化層、C過(guò)渡層組成,最外層是涂覆層,主要是鈦的氧化物和碳化物組成,沒(méi)有以晶體存在的鈦。厚度僅僅在數(shù)十納米以?xún)?nèi)的涂覆層主要是以片狀磨屑及球狀熔屑覆蓋于工件表面,其分布既無(wú)規(guī)律,又不連續(xù)。用電子能譜儀和 χ射線質(zhì)譜儀檢測(cè)表明：在不同層中鈦含量都有一定程度的減少。而在燒傷層中,氧濃度增加,鈦含量減少得最多。這是由于在磨削溫度的作用下,工件基體內(nèi)鈦向表面擴(kuò)散,并被吸附進(jìn)去的氧所氧化,形成鈦的氧化物。B層的氧化物是鈦的氧化物,A和 B合稱(chēng)為完全變質(zhì)層。在基體和完全變質(zhì)層之間的過(guò)渡層 C又稱(chēng)為污染層,晶體鈦開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸增加,氧化鈦減少;氧以氧化物或間隙固溶體兩種形式存在,但其含量逐漸減少,過(guò)度層一個(gè)明顯的特征就是富氧。從金相上看,其形狀呈片狀或塊狀,與基體有明顯的分界面,其厚度與燒傷程度有關(guān),燒傷越重,其厚度越大。隨著壓力進(jìn)一步增大盡管在磨削表面上出現(xiàn)了因塑性擠壓變形和溫度綜合作用而形成的魚(yú)鱗狀皺疊和涂復(fù)物,并伴有脫落的鈍化磨粒嵌入已加工表面,出現(xiàn)了磨削裂紋。

圖 5 取樣位置

砂帶粒度是影響表面粗糙度的最主要因素,由圖6可以看出：

圖 6 粗糙度與砂帶粒度關(guān)系

表面粗糙度值會(huì)隨著砂帶粒度的增大而減小,剛開(kāi)始的時(shí)候粗糙度減小得比較快,然后逐漸趨于緩和,說(shuō)明表面粗糙度只在特殊范圍內(nèi)才會(huì)隨著粒度的增加而減小。

表面粗糙度還與其他因素有關(guān),依次是磨削壓力、砂帶線速度、工件移動(dòng)速度以及接觸輪硬度等。

4 砂帶壽命分析

外圓砂帶磨削鈦合金時(shí)砂帶磨損形式主要有磨粒脫落、磨粒破碎、磨粒磨平磨鈍和粘著磨損等,其中磨平磨鈍為磨損的主要形式,而其磨損受到磨削壓力、砂帶速度、工件材料、磨料硬度、磨料粒度和磨削液等因素的影響。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可繪出圖 7。

圖 7 砂帶累積磨削時(shí)間與砂帶磨損高度的關(guān)系曲線

盡管砂帶的磨料種類(lèi)不同,但在砂帶磨削時(shí)均首先進(jìn)入快速初期磨損階段,然后逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定磨損階段,可見(jiàn)壽命期內(nèi)砂帶的磨損過(guò)程只有兩個(gè)階段,以磨粒破碎磨損為主的初期快速磨損階段和以磨粒磨耗磨損為主的穩(wěn)定磨損階段。由于常用砂帶一般為單層涂附產(chǎn)品,因此砂帶采用的靜電植砂工藝可能是造成砂帶初期磨損的主要原因,因?yàn)樗鼓チＱ刈陨黹L(zhǎng)軸方向豎直植入基材表面。新砂帶切刃尖而鋒利,參與切削的磨粒較少,單顆磨粒承受法向壓力和切向壓力大,這也表明新砂帶切刃發(fā)生破碎現(xiàn)象頻繁,單個(gè)磨粒頂端將快速形成磨損小平面或由單一切刃向近似等高的多切刃轉(zhuǎn)變,一方面它表現(xiàn)出以磨粒破碎為主的快速磨損,另一方面磨粒頂端擴(kuò)展變大,為砂帶進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段做準(zhǔn)備。進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段的砂帶由于前期快速磨損已經(jīng)使磨粒高度均勻,參與切削的磨粒增多且數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定。所以砂帶在穩(wěn)定磨損期間內(nèi)磨損主要形式是磨耗磨損和部分的破碎磨損,其變化率相對(duì)較慢,近似成斜率很小的直線。

5 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：①外圓砂帶磨削鈦合金時(shí),材料去除率受磨削壓力、砂帶線速度、工件材料、磨料種類(lèi)及粒度等的影響較大。其中法向磨削壓力越大,材料去除率越大;隨著砂帶線速度增大,材料去除率先增大后減小;陶瓷和鋯剛玉磨料的砂帶較之氧化鋁和碳化硅磨料的砂帶有較高的材料去除率;工件材料的硬度越低、磨料粒度號(hào)越低,材料的去除率越高;②碳化硅砂帶磨削 TC4鈦合金時(shí),Fn=2.0N/cm,得 Zw=1.5g/min,可獲得最大的材料去除率。③鋯剛玉砂帶磨削 TC4鈦合金時(shí),Vs=10m/s,得 Zw=1.9g/min為最佳值。④提高砂帶線速度,選用合理的磨削壓力、砂帶磨料、磨削液和采用高粒度號(hào)的砂帶等,可有效防止磨削燒傷和裂紋的產(chǎn)生,改善金屬材料砂帶磨削的表面加工質(zhì)量。⑤磨平磨鈍是砂帶磨粒最主要的磨損形式,其磨損受磨削壓力、砂帶線速度、工件材料硬度和磨削液等因素的影響較大。

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