鈦合金風(fēng)扇葉片磨拋加工性能試驗(yàn)研究*

劉 軒，趙正彩，傅玉燦，徐九華，李志強(qiáng)

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)因其推力大、耗油低、噪音小及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始逐步取代了航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，成為軍用三代、四代戰(zhàn)機(jī)以及民用客機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置。鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片作為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一，其加工精度及表面質(zhì)量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能和使用壽命的關(guān)鍵因素。該風(fēng)扇葉片葉身部分面積大、加工余量較小，需進(jìn)行磨拋加工[1-3]。葉片磨拋技術(shù)作為葉片制造技術(shù)中重要一環(huán)，直接決定了葉片加工的表面質(zhì)量及加工精度。鈦合金TC4（Ti-6A1-4V）性能優(yōu)越，有著較高的強(qiáng)度、較小的密度，且受熱情況下穩(wěn)定性好，因此被用作制作葉片的常用材料。但是鈦合金材料導(dǎo)熱系數(shù)低，不利于熱量散發(fā)，且易與刀具發(fā)生化學(xué)作用而導(dǎo)致刀具磨損，是公認(rèn)的難加工材料[4-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，鈦合金零件磨拋加工面臨著磨拋溫度高、表面易燒傷[6]、砂輪磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[7]。因此，開(kāi)展鈦合金磨拋加工試驗(yàn)意義非凡。

針對(duì)鈦合金材料磨拋加工中的各種問(wèn)題，大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究工作，取得了一系列成果。任敬心等[8-9]以磨削鈦合金黏附現(xiàn)象為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了磨削力數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合砂輪磨削機(jī)理，分析了砂輪磨損的原因； Razavi等[10]研究了鈦合金磨削中磨削力的控制；Xu等[11]開(kāi)展了鈦合金磨削中砂輪磨損機(jī)理研究；唐建設(shè)[12-13]等研究了磨削燒傷機(jī)理并提出了改善措施；張紅霞[14]等開(kāi)展了SG砂輪磨削鈦合金燒傷機(jī)理及溫度研究；Hooda等[15]研究了SiC砂輪磨削鈦合金的燒傷機(jī)理。

本文開(kāi)展的鈦合金材料磨拋加工試驗(yàn)主要考察砂輪選型（磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度、組織等）、磨拋工藝（線速度、進(jìn)給速度、切深）等關(guān)鍵因素對(duì)鈦合金材料磨拋加工性（磨拋力、磨拋溫度、表面質(zhì)量、砂輪磨損）的影響，在保證工件表面質(zhì)量要求（Ra0.8μm，表面無(wú)燒傷）的前提下，提高磨拋加工的材料去除率和磨拋比，進(jìn)而提高磨拋效率。試驗(yàn)優(yōu)選出了適合磨拋加工鈦合金材料的砂輪及加工參數(shù)，并針對(duì)鈦合金風(fēng)扇葉片進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)條件及參數(shù)

磨削試驗(yàn)在高速平面精密磨床 PROFIMAT MT 408（主軸最大功率為45kW）和臥軸矩臺(tái)平面磨床HZY150上進(jìn)行,試驗(yàn)采用NI USB-6211數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集；采用KISTLER 9272測(cè)力儀并輔以相應(yīng)軟件進(jìn)行磨削力的測(cè)量；采用半人工熱電偶法測(cè)量磨削溫度，采用熱電偶快速標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定，并使用計(jì)算機(jī)采集分析系統(tǒng)分析磨削溫度；使用Mahr Perthometer M1便攜式粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度；使用HXS-1000A數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度分析；使用KH-7700三維視頻顯微鏡進(jìn)行金相組織顯微分析。

采用的工件材料為T(mén)i-6A1-4V（尺寸： 60mm×5mm×40mm，磨拋面尺寸：60mm×5mm），分別采用白剛玉（WA）、單晶剛玉（SA）和NORTON SG等剛玉磨料砂輪、綠碳化硅砂輪（GC）、樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪及陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪進(jìn)行磨拋試驗(yàn)，磨拋方式為順磨，剛玉磨料砂輪磨拋時(shí)砂輪線速度vs取25m/s，工件速度vw取0.1～10 m/min，磨拋深度ap取 0.005～0.05mm ；其余砂輪磨拋時(shí)砂輪線速度vs取25m/s和35m/s，工件速度vw取2～10m/min，磨拋深度ap取0.005～0.05mm；修整砂輪時(shí)砂輪線速度vs取25m/s，切深ad取0.01mm，軸向進(jìn)給速度f(wàn)d取 200mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)分析不同砂輪磨拋時(shí)的磨拋溫度、單位寬度磨拋力、表面粗糙度以及砂輪磨損情況，優(yōu)選出最佳的砂輪型號(hào)和磨拋參數(shù)。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用白剛玉砂輪（WA）磨拋加工TC4時(shí)，在材料去除率大于200mm3/min（砂輪工作寬度為10mm）時(shí)工件加工表面已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?zé)齻?，且砂輪表層大面積黏附鈦屑，堵塞嚴(yán)重。故認(rèn)為，此系列白剛玉砂輪（WA46）不適合鈦合金材料磨拋加工。

2.1 磨拋溫度分析

在磨削加工過(guò)程中，磨削熱嚴(yán)重影響工件加工表面完整性的各項(xiàng)指標(biāo)，測(cè)量磨削溫度是監(jiān)測(cè)磨削過(guò)程的重要手段。

圖1顯示了單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉磨料砂輪磨拋TC4時(shí)磨拋溫度的變化。由圖1可知，兩種砂輪的磨拋溫度變化趨勢(shì)大致相同，均隨進(jìn)給速度、磨拋深度增大而上升，但總體上SA砂輪磨拋加工時(shí)工件表層溫度低于SG砂輪。本試驗(yàn)工藝條件范圍內(nèi)，工件加工面未發(fā)生燒傷且砂輪工作寬度為10mm時(shí)，SA、SG砂輪磨拋加工TC4的最大材料去除率為500mm3/min，此時(shí)進(jìn)給速度vw取10m/min，磨拋深度ap取0.005mm，砂輪線速度vs取25m/s。其中SA砂輪磨拋時(shí)溫度變化范圍為35～350℃，SG砂輪磨拋時(shí)溫度變化范圍為72～462℃。

圖1 單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)磨拋溫度的影響Fig.1 Effect of feed rate and grinding depth on the temperature when grinding TC4 with SA and SG wheels

圖2顯示了綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時(shí)磨拋溫度的變化。由圖2可知，隨著進(jìn)給速度、磨拋深度以及砂輪線速度的增大，磨拋溫度呈上升趨勢(shì)。工件表面沒(méi)有發(fā)生燒傷前提下且砂輪工作寬度為10mm時(shí)，最大材料去除率為5000mm3/min，此時(shí)進(jìn)給速度vw取10m/min，磨拋深度ap取0.05mm，砂輪線速度vs取25m/s。試驗(yàn)中，砂輪線速度vs為25m/s時(shí)，磨拋溫度變化范圍為207～496℃；砂輪線速度vs為35m/s時(shí)，磨拋溫度變化范圍為248～742℃。當(dāng)砂輪線速度vs為35m/s，磨拋深度ap為0.05mm，進(jìn)給速度vw大于2m/min或進(jìn)給速度vw為10m/min，磨拋深度ap大于0.02mm時(shí)，磨拋溫度大于500℃，工件表面發(fā)生燒傷；vs為25m/s時(shí)，所用用量條件下磨拋溫度均小于500℃，工件表面未見(jiàn)燒傷。

圖3顯示了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時(shí)磨拋溫度的變化。隨著進(jìn)給速度、磨拋深度以及砂輪線速度的增大，磨拋溫度呈上升趨勢(shì)。試驗(yàn)參數(shù)內(nèi)，砂輪工作寬度為10mm時(shí)，該砂輪磨拋加工TC4最大材料去除率為2000mm3/min，此時(shí)進(jìn)給速度vw取10m/min，磨拋深度ap取0.02mm，砂輪線速度vs取25m/s。

綜上所述，幾種型號(hào)砂輪磨拋鈦合金時(shí)，磨拋溫度均隨著進(jìn)給速度、磨拋深度增大而增大。單純以材料去除率為標(biāo)準(zhǔn)，綠碳化硅砂輪、陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪均可用以磨拋鈦合金，其中，綠碳化硅砂輪相較CBN砂輪表現(xiàn)出更強(qiáng)的加工能力。

圖2 綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)磨拋溫度的影響Fig.2 Effect of feed rate and grinding depth on the temperature when grinding TC4 with GC wheel

圖3 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)磨拋溫度的影響Fig.3 Effect of feed rate and grinding depth on the temperature when grinding TC4 with CBN wheel

2.2 單位寬度磨拋力分析

磨拋力是磨拋加工過(guò)程中一個(gè)極為重要的物理量，磨拋過(guò)程中的很多基本特征都可以通過(guò)磨拋力來(lái)反映。

圖4為單晶剛玉和NORTON SG剛玉磨料砂輪磨拋TC4時(shí)單位寬度磨拋力的變化。由圖4可知，兩種砂輪磨拋力變化趨勢(shì)基本一致，均隨著進(jìn)給速度和磨拋深度的增大呈上升趨勢(shì)，且法向磨拋力大于切向磨拋力。SG砂輪的磨拋力小于SA砂輪。試驗(yàn)參數(shù)內(nèi)，SG砂輪法向和切向力變化范圍分別為1.6～7.7N/mm和0.8～3.8N/mm；SA砂輪分別為1.9～10N/mm和0.6～4.6N/mm。根據(jù)砂輪磨損量和材料去除量，計(jì)算出SA和SG砂輪磨拋TC4磨拋比分別約為1.8和2.1。

圖5為綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時(shí)不同砂輪線速度下進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)單位寬度磨拋力的影響。由圖5可知，磨拋力隨進(jìn)給速度和磨拋深度的增大呈上升趨勢(shì)。當(dāng)砂輪線速度為25m/s時(shí)，綠碳化硅砂輪單位寬度切向磨拋力和法向磨拋力變化范圍分別為5.1～13.9N/mm和5.28～34.85N/mm；當(dāng)砂輪線速度為35m/s時(shí)，砂輪單位寬度切向磨拋力和法向磨拋力變化范圍分別為5.32～10.07N/mm和11.23～31.03N/mm。根據(jù)砂輪磨損量和材料去除量，計(jì)算出GC46砂輪磨拋TC4磨拋比約為2.5。

圖6為陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)單位寬度磨拋力的影響。由圖6可知，單位寬度磨拋力隨著進(jìn)給速度、磨拋深度和砂輪線速度的增大均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。試驗(yàn)參數(shù)內(nèi)，法向力和切向力變化范圍為2.12 ～17.18N/mm和1.09～8.36N/mm。根據(jù)砂輪磨損量和材料去除量，計(jì)算出陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4磨拋比約為4。

綜上所述，幾種型號(hào)砂輪磨拋鈦合金時(shí)，單位寬度磨拋力均隨著進(jìn)給速度、磨拋深度增大而增大,相同條件下，綠碳化硅砂輪磨拋鈦合金的磨拋力大于陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪。單純以磨拋比為標(biāo)準(zhǔn)，陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪優(yōu)于綠碳化硅砂輪與剛玉砂輪。

圖4 單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)磨拋力的影響Fig.4 Effect of feed rate and grinding depth on the force when grinding TC4 with SA and SG wheels

圖5 綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)磨拋力的影響Fig.5 Effect of feed rate and grinding depth on the force when grinding TC4 with GC wheel

2.3 表面粗糙度分析

磨拋加工中，工件表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，與零件的精度密切相關(guān)。

圖7為單晶剛玉和NORTON SG剛玉磨料砂輪磨拋TC4時(shí)工件表面粗糙度與進(jìn)給速度、磨拋深度的關(guān)系。在本文所選參數(shù)范圍內(nèi)，兩種砂輪磨拋工件表面粗糙度Ra均小于0.45μm，滿足加工要求。

圖8顯示了綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時(shí)工件表面粗糙度的變化。由圖8（a）可知，隨著進(jìn)給速度增大，工件表面粗糙度值隨之增大，但Ra值均小于0.8μm。由圖8（b）可知，隨著磨拋深度的增大，粗糙度值變化不明顯，且Ra值小于0.8μm。工件表面粗糙度值隨著砂輪線速度的變化不明顯。

圖9顯示了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時(shí)工件表面粗糙度的變化。由圖9（a）可知，進(jìn)給速度增大，表面粗糙度值減小，且小于0.8 μm。由圖9（b）可知，隨著磨拋深度的增大，表面粗糙度值變化不明顯，且Ra值小于0.8μm。

綜上所述，幾種型號(hào)砂輪磨拋鈦合金時(shí)，工件表面粗糙度均隨著磨拋深度增大在小范圍內(nèi)波動(dòng)。本文參數(shù)范圍內(nèi)，幾種型號(hào)砂輪磨拋時(shí)工件表面粗糙度均控制在0.8μm以內(nèi)。

圖6 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)磨拋力的影響Fig.6 Effect of feed rate and grinding depth on the force when grinding TC4 with CBN wheels

圖7 單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of feed rate and grinding depth on the roughness when grinding TC4 with SA and SG wheels

圖8 綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed rate and grinding depth on the roughness when grinding TC4 with GC wheel

2.4 砂輪磨損分析

如圖10（a）、（b）所示，SA、SG 砂輪磨拋鈦合金TC4，砂輪表面黏附較少，輕微堵塞。如圖10（c）所示，GC砂輪磨拋鈦合金時(shí)黏結(jié)少，不易堵塞，這主要是因?yàn)榫G碳化硅磨料硬而脆，具有更鋒銳的切削刃。圖10（d）為新修后的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋加工TC4后砂輪磨損情況，砂輪表面部分磨粒輕微磨損，黏附鈦屑現(xiàn)象不明顯。

圖9 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時(shí)進(jìn)給速度和磨拋深度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.9 Effect of feed rate and grinding depth on the roughness when grinding TC4 with CBN wheel

圖10 砂輪磨損狀態(tài)Fig.10 Grinding wheel wear

3 鈦合金風(fēng)扇葉片加工驗(yàn)證

根據(jù)上文對(duì)鈦合金磨拋加工性能研究結(jié)果，開(kāi)展了鈦合金風(fēng)扇葉片磨拋加工驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)在MTS 1600-500-6NC六軸砂帶磨床上進(jìn)行，砂帶選用美國(guó)3M-461F型砂帶，根據(jù)上文研究結(jié)果，選用綠碳化硅磨料，磨料粒度46#，試驗(yàn)對(duì)象為鈦合金風(fēng)扇葉片；工件工裝如圖11所示?？紤]鈦合金風(fēng)扇葉片葉身砂帶磨削加工精度及表面質(zhì)量要求，試驗(yàn)分為粗、精加工，粗加工選用砂帶轉(zhuǎn)速S=3600r/min，進(jìn)給速度f(wàn)=2400mm/min, 壓力P=20kg；精加工選用砂帶轉(zhuǎn)速S=3600r/min，進(jìn)給速度f(wàn)=4200mm/min, 壓力P=15kg。

試驗(yàn)結(jié)果表明，工件表面無(wú)燒傷，表面粗糙度在0.8μm以下；粗加工時(shí)一條砂帶可加工一整片葉片砂帶磨拋加工，加工區(qū)域面積約800mm×400mm×2，精加工時(shí)一條砂帶可加工兩片葉片砂帶磨拋加工，加工區(qū)域面積約800mm×400mm×4。

圖11 鈦合金葉片夾具Fig.11 Fixture of titanium alloy fan blade

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了鈦合金材料磨拋加工性能試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）普通磨料砂輪GC46L10V（粒度46#）適合磨拋加工鈦合金材料TC4，最佳用量為vs=25m/s，vw=10m/min，ap=0.05mm，工作寬度為10mm時(shí)材料去除率達(dá)到5000mm3/min，磨拋比為2.5，表面粗糙度Ra為0.45～0.75μm。

（2）陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪適合磨拋加工鈦合金材料 TC4，最佳用量為vs=25m/s，vw=10m/min，ap=0.02mm，材料去除率達(dá)到2000mm3/min，磨拋比為4，表面粗糙度Ra為 0.3～0.6μm。

（3）綠碳化硅磨料砂帶適合磨拋加工鈦合金葉片，最佳用量為粗加工砂帶轉(zhuǎn)速S=3600r/min，速給速度f(wàn)=2400mm/min，壓力P=20kg；精加工S=3600r/min，f=4200 mm/min,P=15kg，表面粗糙度在0.8μm以下。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]侯冠群.寬弦空心風(fēng)扇葉片制造工藝的發(fā)展[J].航空制造工程, 1994(5): 6-8.

HOU Guanqun. Development of manufacturing technology for wide chord hollow fan blade [J]. Aviation Engineering & Maintenance,1994(5):6-8.

[2]梁春華,楊銳.航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦空心風(fēng)扇葉片的發(fā)展及應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),1999(2): 54-58.LIANG Chunhua, YANG Rui. Development and application of wide chord hollow fan blade in aeroengine[J]. Aeroengine, 1992(2): 54-58.

[3]徐九華,趙正彩,傅玉燦,等.鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片數(shù)控切削加工關(guān)鍵技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 46(5): 659-666.XU Jiuhua, ZHAO Zhengcai, FU Yucan, et al. Key technologies of NC machining of titanium wide chord hollow fan blade[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 46(5): 659-666.

[4]EZUGWU E O ,WANG Z M. Titanium alloys and their machinability—a review[J]. Journal of Materials Procwssing Technology,1997, 68: 262-274.

[5]李明怡.航空用鈦合金結(jié)構(gòu)材料[J].世界有色金屬,2000(6):17-20.LI Mingyi. Aerospace titanium alloy structural materials[J]. World Nonferrous Metal, 2000(6):17-20.

[6]鄧朝暉,萬(wàn)林林,張榮輝.難加工材料高效精密磨削技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2008(24): 3018-3023.DENG Zhaohui, WAN Linlin, ZHANG Ronghui. Research progresses of high efficiency and precision grinding for hard to machine materials[J].China Mechanical Engineering, 2008(24): 3018-3023.

[7]張研,任延華.難加工材料磨削中的砂輪粘附及其抑制措施[J].航空制造技術(shù), 2001(6): 52-54.ZHANG Yan, REN Yanhua. Wheel adhesion and its restraint measures during grinding difficult to machining materials[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2001(6): 52-54.

[8]任敬心,華定安,黃奇,等.磨削鈦合金時(shí)砂輪磨損機(jī)理的研究[J].航空學(xué)報(bào), 1991(6): 266-272.REN Jingxin, HUA Ding’an, HUANG Qi, et al. Study on wear mechanism of grinding wheel in grinding titanium alloy[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1991(6): 266-272.

[9]任敬心,華定安,黃奇.磨削鈦合金的磨削力數(shù)學(xué)模型[J].航空學(xué)報(bào), 1986(1): 97-103.REN Jingxin, HUA Ding’an, HUANG Qi, et al. The mathematical model of grinding force in grinding titanium alloy[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1986(1): 97-103.

[10]RAZAVI H A, KURFESS T R, DANYLUK S. Force control grinding of gamma titanium aluminide[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2003, 43(2): 185-191.

[11]XU X P, YU Y Q, HUANG H. Mechanisms of abrasive wear in the grinding of titanium (TC4) and nickel (K417) alloys[J]. Wear, 2003, 255(7-12): 1421-1426.

[12]浦學(xué)鋒,唐建設(shè).磨削燒傷機(jī)理及其改善措施的研究[J].航空工藝技術(shù), 1992(4): 4-7.PU Xuefeng, TANG Jianshe. Study on grinding mechanism and improvement measures of grinding burn[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 1992(4): 4-7.

[13]TANG J S, PU X F, XU J h, et al. Studies on mechanisms and improvement of workpiece burn during grinding of titanium alloys[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1990, 39(1): 353-356.

[14]張紅霞,陳五一,陳志同. SG砂輪磨削鈦合金燒傷機(jī)理[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 34(1): 22-26.ZHANG Hongxia, CHEN Wuyi, CHEN Zhitong. Grinding burn mechanism of titanium alloys with SG wheels [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2008, 34(1): 22-26.

[15]HOODA R, LECHNERA F, ASPINWALLA D K. Creep feed grinding of gamma titanium aluminide and burn resistant titanium alloys using SiC abrasive[J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture, 2007, 47(9): 1486-1492.