原位自生TiB2/Al復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量研究

張永強(qiáng)，周超羨，林坤陽，汪文虎，蔣睿嵩

（1. 中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200126；2. 西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、耐磨、耐疲勞、低膨脹系數(shù)、低密度、高屈服強(qiáng)度、良好的尺寸特性和導(dǎo)熱性等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1-3]。普惠公司從PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)開始，將擠壓態(tài)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片，提高了部件性能，并且成本至少下降33%[4-5]。但是，由于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中存在硬度大、強(qiáng)度高、耐磨損的增強(qiáng)顆粒，這種材料的不均勻使得該類復(fù)合材料難以機(jī)械加工。

傳統(tǒng)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料通過將增強(qiáng)顆粒加入鋁基體中攪拌復(fù)合制備而成，其增強(qiáng)顆粒通常存在尖角、尺寸較大、分布不均勻等問題，同時(shí)界面反應(yīng)難以控制，造成其性能不穩(wěn)定[6-7]。原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒在鋁基體中的原位反應(yīng)直接生成，其尺寸細(xì)?。{米和亞微米級(jí)），外形圓整，并且顆粒與基體之間具有良好的相容性，界面干凈，無雜質(zhì)污染，各項(xiàng)性能更加穩(wěn)定[8-13]?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，原位自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

磨削加工因其精度高的特點(diǎn)，常常作為零件的終加工工序。針對(duì)鋁基復(fù)合材料的磨削加工性能研究，主要集中在傳統(tǒng)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。ILio等[14]采用傳統(tǒng)砂輪和超硬磨粒砂輪磨削金屬基復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料的磨削性能受砂輪磨粒和工件材料增強(qiáng)相形態(tài)的共同影響，砂輪退化主要由軟質(zhì)基體材料阻塞砂輪孔造成。Zhong等使用陶瓷基SiC砂輪和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行磨削，研究表明：SiC砂輪可以用于粗磨，粗磨時(shí)工件的磨削表面上有基體金屬的涂敷現(xiàn)象，降低了表面粗糙度；金剛石砂輪適合于精磨，精磨時(shí)基體材料沒有明顯的涂敷現(xiàn)象[15-16]。Thiagarajan等[17]利用60粒度的白剛玉WA砂輪進(jìn)行Al/SiC復(fù)合材料外圓磨削試驗(yàn)，通過檢測(cè)磨削力、磨削溫度和表面粗糙度，得到了最優(yōu)的磨削工藝參數(shù)。Kwak等[18]研究了SiC和Mg顆粒對(duì)鋁基復(fù)合材料制備的影響，分析了磨削參數(shù)對(duì)磨削力和磨削表面粗糙度的影響規(guī)律，并優(yōu)化了磨削參數(shù)。Ilio等[19]針對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，建立了材料的切削力和表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，發(fā)現(xiàn)法向力和切向力呈線性關(guān)系，工件表面粗糙度隨著材料硬度的提高呈下降趨勢(shì)。

目前，針對(duì)原位自生TiB2/Al復(fù)合材料磨削加工性能的研究尚未見報(bào)道。由于TiB2/Al復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒的尺度、力學(xué)性能、材料構(gòu)型方式與傳統(tǒng)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有較大差異，必然導(dǎo)致其磨削性能與表面成形機(jī)制的不同；為此，有必要針對(duì)TiB2/Al復(fù)合材料的磨削性能及質(zhì)量展開研究。本研究采用單晶剛玉SA砂輪、白剛玉WA砂輪和CBN砂輪對(duì)原位自生TiB2/Al復(fù)合材料進(jìn)行磨削試驗(yàn)，對(duì)工件表面粗糙度、表面形貌、磨屑、砂輪磨損進(jìn)行觀測(cè)與分析，獲得了優(yōu)選的磨削工藝參數(shù)和砂輪特性，從而為原位自生TiB2/Al復(fù)合材料磨削加工參數(shù)選擇提供依據(jù)。

1 原位自生TiB2/Al復(fù)合材料磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試件材料為原位自生TiB2/Al復(fù)合材料，由上海交通大學(xué)特種材料研究所研制，采用熔體反應(yīng)控制自生方法制備，混合鹽反應(yīng)化學(xué)方程式：

原位自生TiB2/Al復(fù)合材料微觀形貌如圖1所示，化學(xué)成分組成如表1所示。TiB2/Al基體為鋁，其中分布著納米尺度-亞微米尺度的TiB2增強(qiáng)顆粒，室溫下試件材料的物理力學(xué)性能如表2所示。磨削試樣為方形，尺寸為35mm×22mm×11mm，如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

磨削試驗(yàn)在MM7120A平面磨床上進(jìn)行，砂輪分別采用單晶剛玉SA砂輪、白剛玉WA砂輪和CBN砂輪（圖3），粒度80#，中軟級(jí)，其中單晶剛玉SA砂輪和白剛玉WA砂輪采用陶瓷結(jié)合劑，CBN砂輪采用樹脂結(jié)合劑，尺寸均為φ250mm×φ75mm×25mm。磨削方式為切入順磨，采用乳化液冷卻。

采用三因素五水平單因素試驗(yàn)方法進(jìn)行原位自生TiB2/Al復(fù)合材料的平面磨削試驗(yàn)，試驗(yàn)具體參數(shù)見表3，磨削加工示意如圖4所示。

圖1 原位自生TiB2/Al復(fù)合材料顯微組織Fig.1 Micrograph of in-situ TiB2/Al composites

表1 原位自生TiB2/Al復(fù)合材料的化學(xué)成分%

表2 原位自生TiB2/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖2 磨削試樣Fig.2 Specimen for grinding

圖3 砂輪Fig.3 Grinding wheels

1.3 測(cè)試方法

表3 磨削參數(shù)

圖4 磨削加工示意圖Fig.4 Schematic image of grinding

為揭示原位自生TiB2/Al復(fù)合材料磨削機(jī)理，圍繞表面粗糙度、表面形貌、磨屑形態(tài)、砂輪磨損進(jìn)行檢測(cè)分析，具體檢測(cè)方法如下：（1） 表面粗糙度采用接觸式TR620表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方向垂直于磨削進(jìn)給速度方向，取樣長度為0.5mm，評(píng)定長度為2.5mm，磨削試樣表面粗糙度值均為重復(fù)測(cè)量5次取平均值獲得；（2）表面形貌和磨屑采用TESCAN VEGA3掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)；（3）砂輪磨損分析采用電鏡觀察法[20]，分別將經(jīng)過磨削磨損后和修整未磨損的砂輪塊，在真空離子蒸鍍機(jī)上鍍金后，放入TESCAN VEGA3掃描電鏡下觀察，便于對(duì)砂輪磨損形式與機(jī)理進(jìn)行綜合微觀研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)單因素試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，分別得到單晶剛玉SA砂輪、白剛玉WA砂輪和CBN砂輪在不同磨削工藝參數(shù)下對(duì)應(yīng)的表面粗糙度，如圖5所示為砂輪特性和磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra的影響曲線。由此分析砂輪特性和磨削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra的影響規(guī)律。

2.1 砂輪特性對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

由圖5可知，在相同磨削工藝參數(shù)下，采用單晶剛玉SA砂輪時(shí)，磨削表面粗糙度Ra的范圍是0.182～0.316μm；采用白剛玉WA砂輪時(shí)，磨削表面粗糙度Ra的范圍是0.295～0.424μm；采用CBN砂輪時(shí)，磨削表面粗糙度Ra的范圍是0.321～0.581μm?？梢钥闯鍪褂脝尉傆衲ハ鲿r(shí)得到的表面粗糙度明顯低于使用白剛玉WA砂輪和CBN砂輪所得表面粗糙度。這是因?yàn)閱尉傆衲チ暇哂辛己玫亩嗬馇邢魅?，并具有較高的硬度及韌性，磨削時(shí)不易破碎，切削能力強(qiáng)。白剛玉砂輪韌性稍差，磨粒容易破碎。CBN砂輪磨粒比較鋒利，磨削時(shí)切屑的擠壓抗力較大，磨削表面塑性變形較大，所以其磨削工件表面粗糙度較大。

圖5 砂輪與磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.5 Effect of grinding wheel and grinding parameters on surface roughness

2.2 磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

磨削所產(chǎn)生的細(xì)觀表面形態(tài)主要由磨粒切刃與工件的干涉作用產(chǎn)生的溝痕疊加而成，主要作用方式為磨粒對(duì)工件表面的劃擦、耕犁和切削作用。由于加工過程是砂輪與工件作用的復(fù)雜隨機(jī)過程，砂輪的性能、磨削參數(shù)和工件材料必然對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生重要影響。

平面磨削中，單顆磨粒未變形磨屑厚度作為影響磨削力和已加工表面粗糙度的重要指標(biāo)，得到：

式中，vw為工件速度，vs為砂輪速度，ap為磨削深度，Nd為砂輪動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)，C為與磨粒頂錐角相關(guān)的常數(shù)，ds為砂輪直徑[20]。由式（3）知，單顆磨粒未變形磨屑厚度與工件速度和磨削深度成正比關(guān)系，與砂輪轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。

圖5（a）顯示出砂輪轉(zhuǎn)速vs對(duì)磨削表面粗糙度的影響。采用單晶剛玉SA砂輪和白剛玉WA砂輪，當(dāng)砂輪速度vs低于20m/s時(shí)，隨著砂輪速度vs的提高，不僅使砂輪與工件接觸弧長減小，有效磨粒數(shù)減小，而且會(huì)使單顆磨粒未變形磨屑厚度減小，磨削力減小，從而導(dǎo)致磨削表面粗糙度Ra減?。划?dāng)砂輪速度vs大于20m/s時(shí)，隨著砂輪速度vs的增大，砂輪易于發(fā)生黏附磨損，造成磨削力增大，磨削弧區(qū)溫度升高，造成磨削表面粗糙度Ra增大。采用CBN砂輪磨削時(shí)，CBN砂輪硬度高，磨粒更加鋒利，不容易發(fā)生黏附磨損，隨著砂輪轉(zhuǎn)速vs的增大，單顆磨粒未變形磨屑厚度減小使得磨削力減小，表面粗糙度Ra減小，且變化幅度較大；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速在10m/s時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最大值0.581μm，同時(shí)也說明了CBN砂輪適合高速磨削加工。

圖5（b）顯示出工件速度vw對(duì)表面粗糙度Ra的影響。可以看出，隨著工件速度vw的提高，表面粗糙度Ra逐漸升高。分析認(rèn)為，工件速度vw提高時(shí)引起單顆磨粒未變形磨削厚度增大，磨削力增大，工件表面塑性變形程度加劇，從而導(dǎo)致磨削表面粗糙度Ra增大。

圖5（c）顯示出磨削深度ap對(duì)表面粗糙度Ra的影響，可以看出，在相同磨削參數(shù)條件下，無論采用單晶剛玉SA砂輪、白剛玉WA砂輪還是CBN砂輪，表面粗糙度Ra都隨著磨削深度ap的增加呈現(xiàn)近乎線性增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)槟ハ魃疃萢p增加時(shí)，單顆磨粒未變形磨削厚度增大，單位時(shí)間內(nèi)磨削體積相應(yīng)增大，使得磨削力增大，進(jìn)而會(huì)加劇磨削區(qū)域的振動(dòng)，導(dǎo)致表面粗糙度Ra顯著增大。

2.3 表面形貌分析

磨削加工時(shí)伴隨產(chǎn)生的磨削力和磨削溫度會(huì)使加工表面發(fā)生塑性變形，可能導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力降低的撕裂、褶皺等表面瑕疵，從而使磨削表面形貌發(fā)生變化。

圖6所示為采用掃描電鏡放大500倍下獲得的原位自生TiB2/Al復(fù)合材料表面形貌，磨削加工工藝參數(shù)為：vs=20m/s，vw=13m/min，ap=20μm。采用單晶剛玉SA砂輪磨削時(shí)，其表面粗糙度Ra為0.246μm，磨削紋路清晰，表面光滑，說明磨粒切削過程中的工件表面塑性變形較小。使用白剛玉WA砂輪磨削時(shí)，其表面粗糙度Ra為0.381μm，磨削紋路并沒有明顯變化，但出現(xiàn)了明顯的犁溝。使用CBN砂輪磨削時(shí)，其表面粗糙度Ra為0.526μm，磨削紋路已有明顯變化，塑性變形較大，出現(xiàn)皺疊及犁溝兩側(cè)翻起現(xiàn)象。通過表面形貌分析也進(jìn)一步說明了采用單晶剛玉WA砂輪更適宜磨削TiB2/Al復(fù)合材料。

雖然圖6中工件表面有劃痕和犁溝，但其加工表面質(zhì)量良好，無論采用任何一種砂輪，工件表面都沒有出現(xiàn)類似SiC/Al復(fù)合材料表面顆粒拔出、脆性斷裂的現(xiàn)象[15]，說明了TiB2/Al復(fù)合材料磨削方式為延性磨削。這主要得益于亞微米級(jí)別的TiB2增強(qiáng)相顆粒，細(xì)小的顆粒并不會(huì)影響磨削表面形貌，也說明了原位自生型TiB2/Al復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)SiC/Al復(fù)合材料具有更優(yōu)異的加工特性。

2.4 磨屑形態(tài)分析

圖6 采用不同砂輪磨削表面形貌Fig.6 Topography of grinding surface by different wheels

圖7所示為采用掃描電鏡獲得的磨屑形貌，磨削加工工藝參數(shù)為：vs=20m/s，vw=13m/min，ap=20μm。圖7（a）所示為采用單晶剛玉SA砂輪磨削原位自生TiB2/Al復(fù)合材料的磨屑形態(tài)，呈帶狀，細(xì)長，并且背部有明顯褶皺。圖7（b）為采用白剛玉WA砂輪磨削所得磨屑形態(tài)，與采用單晶剛玉SA砂輪磨削磨屑類似，層帶狀，卷曲，背部有褶皺，但磨屑較寬、較短，因此，采用白剛玉砂輪所得工件磨削表面粗糙度略大于單晶剛玉磨削工件。圖7（c）為CBN砂輪磨削原位自生TiB2/Al復(fù)合材料所得磨屑形態(tài)，為擠裂型磨屑，說明采用CBN砂輪時(shí)塑性變形較大。盡管CBN砂輪鋒利，但在20m/s的低砂輪轉(zhuǎn)速下，切削變形劇烈，因此獲得的表面粗糙度值大。

2.5 砂輪磨損分析

為進(jìn)一步探索原位自生TiB2/Al復(fù)合材料的磨削機(jī)理，對(duì)磨削前后單晶剛玉SA砂輪表面形貌進(jìn)行了觀測(cè)分析。

圖8（a）所示為修整后的單晶剛玉SA砂輪表面形貌，砂輪表面有明顯的氣孔。圖8（b）所示為磨削加工4h后的單晶剛玉SA砂輪表面形貌，磨削加工工藝參數(shù)為：vs=20m/s，vw=13m/min，ap=20μm。對(duì)比圖8 （a）、（b），修整后砂輪表面氣孔均勻，磨粒棱角鮮明且鋒利；經(jīng)過4h的磨削加工，砂輪表面氣孔被磨屑阻塞，分析原因是鋁基體質(zhì)地較軟，在磨削溫度作用下容易黏附在砂輪表面。圖9為磨削4h后單晶剛玉SA砂輪表面磨損失效形式。從圖9（a）中可以清晰地看出磨屑對(duì)砂輪氣孔的阻塞；此外經(jīng)過4h的磨削加工，磨粒的鋒利邊沿開始被磨去，在磨粒上形成若干個(gè)平面，當(dāng)平面變得越來越大時(shí)，磨粒上的摩擦力增大，容易引起砂輪表面磨粒脫落，產(chǎn)生孔洞，如圖9 （b）所示。

圖7 采用不同砂輪所得磨屑形貌Fig.7 Topography of grinding chips by different wheels

3 砂輪特性和磨削參數(shù)優(yōu)選

通過試驗(yàn)結(jié)果，采用單晶剛玉SA砂輪磨削原位自生TiB2/Al復(fù)合材料能獲得更好的加工表面質(zhì)量，所采用的砂輪具有陶瓷結(jié)合劑、粒度80、中軟級(jí)特性。單晶剛玉SA砂輪價(jià)格低廉，能夠降低加工成本。根據(jù)圖5及上述分析，在提高磨削效率并保證磨削表面質(zhì)量的前提下優(yōu)選如表4所示磨削參數(shù)工藝域，為生產(chǎn)加工提供指導(dǎo)。

圖8 砂輪表面形貌SEM圖Fig.8 SEM topography of wheel surface

圖9 砂輪失效形式Fig.9 Failure mode of wheels

表4 優(yōu)選的磨削工藝參數(shù)域

4 結(jié)論

基于以上試驗(yàn)和分析，可以得出如下研究結(jié)論：

（1）采用單晶剛玉SA砂輪和白剛玉WA砂輪平面磨削原位自生TiB2/Al復(fù)合材料時(shí)，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速低于20m/s時(shí)，磨削表面粗糙度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增高而減小，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速大于20m/s時(shí)，磨削表面粗糙度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大而增大；采用CBN砂輪磨削時(shí)，磨削表面粗糙度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。

（2）磨削原位自生TiB2/Al復(fù)合材料時(shí)，材料去除方式為延性去除。

（3）砂輪的主要磨損形式為磨粒破損并伴隨有少量磨粒脫落，鋁基體較軟，容易黏附在砂輪表面，造成砂輪阻塞。

（4）針對(duì)原位自生TiB2/Al復(fù)合材料磨削加工，采用單晶剛玉砂輪能獲得更好的表面質(zhì)量，其磨削加工參數(shù)優(yōu)選域?yàn)椋荷拜嗈D(zhuǎn)速vs∈[20,30]m/s，工件速度vw∈[13,17]m/min，磨削深度ap∈ [10,20]μm。

參 考 文 獻(xiàn)

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