離心研磨加工鈦合金表面粗糙度的試驗(yàn)研究

呂春蘭

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 132022）

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、力學(xué)性能好、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景[1—2]。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鈦合金材料的需求日益增多，同時(shí)對(duì)其表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。鈦合金由于韌性高，加工時(shí)易產(chǎn)生加工硬化，是一種典型的難加工材料[3]。傳統(tǒng)的磨削加工由于磨削力大、溫度高，易對(duì)加工表面產(chǎn)生燒傷，且加工后鈦合金的表面粗糙度和波紋度較高，這將對(duì)零件的配合精度及疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，使得零件性能無(wú)法滿足重要零件的使用要求[4—6]。

針對(duì)鈦合金的表面加工，尤其是精密加工與超精密加工，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的研究，研究主要集中于砂輪磨削、砂帶磨拋、磁研磨拋光以及磨料流拋光等方面[7]。文獻(xiàn)[8]探討了化學(xué)銑切工藝對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響，化銑后鈦合金表面粗糙度值Ra可達(dá)到0.8～1.6 μm。文獻(xiàn)[9]研究了氧化鋁砂帶和碳化硅砂帶對(duì) TC4耐熱鈦合金表面完整性的影響，研究結(jié)果表明氧化鋁砂帶能夠獲得更小的表面粗糙度值。文獻(xiàn)[10]利用磁研磨法很好地解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金彎管內(nèi)表面拋光的難題。文獻(xiàn)[11]采用超聲振動(dòng)精密加工技術(shù)對(duì)飛機(jī)鈦合金緊固件大孔實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)、高效、低成本的加工，加工后孔表面粗糙度值Ra接近0.8 μm。文獻(xiàn)[12]采用磨料流加工方法對(duì) TC4鈦合金進(jìn)行了表面磨拋加工，加工后表面粗糙度值Ra為2 μm左右。TC21鈦合金是我國(guó)自行研制的一種高強(qiáng)度、高韌性的兩相鈦合金，在航空工業(yè)中用于制造飛機(jī)構(gòu)件和部件[13—14]。本文將離心研磨加工技術(shù)應(yīng)用于TC21鈦合金的表面精密加工，該技術(shù)為典型的自動(dòng)化加工技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高、加工時(shí)溫升小和自適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)離心研磨加工鈦合金的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)對(duì) TC21鈦合金進(jìn)行進(jìn)一步的離心研磨加工試驗(yàn)，并研究了表面二次細(xì)化加工對(duì)工件表面粗糙度的影響。

1 離心研磨加工的機(jī)理分析

離心研磨工藝的加工原理如圖1所示，設(shè)備主要由呈對(duì)稱布置的4個(gè)滾筒和1個(gè)公轉(zhuǎn)輪盤組成，加工時(shí)將工件連同磨料、磨液置于密封的滾筒中，輪盤在公轉(zhuǎn)的同時(shí)，滾筒沿相反方向作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。合理的工藝參數(shù)是取得最佳研磨加工效果的必要條件。重要的研磨工藝參數(shù)有加工介質(zhì)特性（磨料材質(zhì)、形狀、尺寸、硬度等）、介質(zhì)裝入量、滾筒轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比以及加工時(shí)間等。氧化鋁和碳化硅因具有較強(qiáng)的耐磨性和耐沖擊性，在離心研磨加工中使用較多。當(dāng)磨塊粒徑較大時(shí)，加工中與工件表面接觸的顆粒數(shù)減少，磨塊與工件之間的壓強(qiáng)增大，材料去除率增大；反之當(dāng)磨塊粒徑較小時(shí)，加工的材料去除率減小。規(guī)定公轉(zhuǎn)輪盤的轉(zhuǎn)速為N，滾筒轉(zhuǎn)速為n，當(dāng)N0，n=0時(shí)，滾筒內(nèi)介質(zhì)呈曲面形態(tài)（圖2a），磨料與工件之間主要為正壓力作用，切削作用很弱；當(dāng)N0，n0時(shí)，滾筒在公轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反），滾筒內(nèi)介質(zhì)呈“S”形曲面形態(tài)（圖 2b），滾筒內(nèi)介質(zhì)形成一強(qiáng)制滑移流動(dòng)層，在滑移流動(dòng)層內(nèi)，磨料對(duì)工件表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞、擠壓與摩擦，工件表面的粗糙度值逐漸降低，直至滿足加工要求[15—17]。

2 離心研磨加工TC21鈦合金的工藝參數(shù)優(yōu)化

為得到較優(yōu)的離心研磨加工TC21鈦合金的工藝參數(shù)，以表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)法研究不同工藝參數(shù)下離心研磨加工對(duì)TC21鈦合金表面粗糙度的影響。

工件為TC21鈦合金板材，尺寸為100 mm ×20 mm×5 mm。試驗(yàn)設(shè)備為東邦鋼機(jī)株式會(huì)社的TAB-14臥式行星研磨機(jī)，傳動(dòng)比n/N=?1。磨料選用球體氧化鋁和球體碳化硅。將工件和磨料加入滾筒中至滾筒容積的 60%，加入水至滾筒容積的70%左右。為避免加工過(guò)程中工件和工件之間因相互碰撞而出現(xiàn)磕傷現(xiàn)象，試驗(yàn)中每個(gè)滾筒內(nèi)放置1個(gè)試樣。

2.1 磨料材質(zhì)對(duì)表面粗糙度的影響

離心研磨工藝要求磨料具有較高的耐磨性及耐沖擊性。氧化鋁和碳化硅是離心研磨加工中常用的磨料，其中氧化鋁的密度為3.62 g/cm3，碳化硅的密度為3.2 g/cm3，因二者質(zhì)量不同，加工中對(duì)工件的沖擊力及磨削力有明顯差別。在轉(zhuǎn)速為 180 r/min的條件下，分別用粒徑為2 mm的氧化鋁磨料和碳化硅磨料對(duì) TC21鈦合金進(jìn)行了加工試驗(yàn)。采用 NDT120便攜式表面粗糙度儀對(duì)工件加工前后的表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，使用 Matlab軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理與分析，不同材質(zhì)的磨料對(duì)TC21鈦合金表面粗糙度的影響如圖3所示。

在加工的初始階段（約0～15 min），由于工件表面粗糙，凸峰較大，磨料對(duì)工件表面的磨削作用強(qiáng)烈，在該段時(shí)間內(nèi)工件表面的材料去除量大，因此表面粗糙度值下降明顯。隨著加工的進(jìn)行，工件表面的凸峰、加工刀痕不斷被磨平，磨料與工件表面的接觸面積增大，使單位面積的摩擦力減小，磨料對(duì)工件表面的磨削作用變?nèi)?，表面粗糙度值的變化趨于平緩、均勻。從圖中可以看出，氧化鋁磨料的加工效果優(yōu)于碳化硅磨料，在同樣的加工時(shí)間內(nèi)，能夠獲得更低的表面粗糙度值。

2.2 磨料粒徑對(duì)表面粗糙度的影響

磨料粒徑影響磨料與工件表面之間的正壓力和摩擦力。在磨料總質(zhì)量一定時(shí)，減小磨料粒徑，則磨料數(shù)量增多，同時(shí)磨料與工件表面的接觸點(diǎn)增多，磨料對(duì)工件表面的磨削效果更加均勻，但是粒徑過(guò)小的磨料對(duì)工件表面的沖擊力和剪切力不足，使加工效率嚴(yán)重降低。而粒徑過(guò)大的磨料由于所攜帶的能量較大，磨料對(duì)工件的沖擊作用和磨削作用強(qiáng)烈，加工效果難以控制。設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為 180 r/min，分別選擇粒徑為2、3、5、8 mm的氧化鋁磨料對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行了加工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，粒徑為5 mm的磨料加工效果最好，而粒徑為2 mm和3 mm的磨料加工效果明顯差于粒徑為5 mm和8 mm的磨料加工效果。這表明在加工的初始階段，粒徑過(guò)小的磨料存在加工困難現(xiàn)象，適當(dāng)增大磨料粒徑有利于提高加工效率。

2.3 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

選用粒徑為5 mm的氧化鋁磨料，分別設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為120、180、240、300 r/min，研究了滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)TC21鈦合金表面粗糙度的影響。圖5為不同轉(zhuǎn)速下TC21鈦合金表面粗糙度值隨加工時(shí)間的變化。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下的加工效果差別很大。轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)的加工效果最差，原因主要為在轉(zhuǎn)速較低的條件下，磨料對(duì)工件表面的磨削力小，加工效率低。隨著轉(zhuǎn)速的提高，加工效率提高明顯。但是當(dāng)N=300 r/min時(shí)，工件表面粗糙度值在30 min時(shí)達(dá)到最小，在加工時(shí)間為40 min時(shí)，表面粗糙度值反而增大。原因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，磨料對(duì)零件表面的碰撞、磨削劇烈，加工均勻性差，在加工時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)表面質(zhì)量下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速為 240 r/min，加工時(shí)間為40 min時(shí)，加工效果最佳。

3 表面二次細(xì)化加工

使用粒徑為5 mm的氧化鋁磨料，在滾筒轉(zhuǎn)速為240 r/min的條件下，對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行了離心研磨加工。加工40 min后，工件的表面粗糙度值Ra由1.412 μm降低至0.513 μm。在此基礎(chǔ)上，使用粒徑為3 mm的磨料對(duì)工件進(jìn)行了表面二次細(xì)化處理，不同加工時(shí)間下工件的表面粗糙度值如圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)二次細(xì)化加工，工件的表面粗糙度值進(jìn)一步減小，表面粗糙度值降低至0.267 μm。在加工時(shí)間超過(guò)15 min后，由于工件表面的粗糙度值已經(jīng)很小，磨料與工件表面之間主要為相對(duì)滑擦作用，磨削作用很弱，表面粗糙度值變化很小。使用BCM-200E型精密光學(xué)顯微鏡觀察了加工前后工件的表面形貌，放大 200倍后的表面形貌見(jiàn)圖7。從圖7中可以看出，加工前工件表面紋理較深，存在缺陷；加工后工件表面平整光滑，加工紋理和表面缺陷消失，工件表面質(zhì)量提高明顯。

4 結(jié)論

1）通過(guò)試驗(yàn)對(duì)加工的主要工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了離心研磨加工TC21鈦合金較優(yōu)的工藝參數(shù)，即：磨料材質(zhì)選用氧化鋁，磨料粒徑為5 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為240 r/min。

2）采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)對(duì) TC21鈦合金進(jìn)行了研磨加工，并結(jié)合表面二次細(xì)化處理，使TC21鈦合金表面粗糙度值由1.412 μm降至0.267 μm，表面粗糙度下降兩級(jí)，加工效果顯著。

3）離心研磨工藝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鈦合金的可行性。