正交試驗法優(yōu)化鈦合金磨削參數(shù)

吳東*

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471009）

正交試驗法優(yōu)化鈦合金磨削參數(shù)

吳東*

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471009）

本文運用正交試驗法，從材料去除率和表面粗糙度兩個維度綜合分析不同磨削條件下對TC4鈦合金磨削質(zhì)量的影響，從而得出磨削TC4鈦合金的優(yōu)化參數(shù)。

鈦合金TC4 磨削參數(shù) 正交試驗

引言

鈦合金比強度高，耐熱性好，有優(yōu)良的抗蝕性以及良好的機械、力學性能，被譽為“未來的金屬”，獲得廣泛的應用，尤其在制造飛機、火箭、導彈等產(chǎn)品時成為不可缺少的材料。鈦合金磨削加工具有以下特點：磨削比低，砂輪粘附嚴重；磨削力大，磨削溫度高；化學活性高，表面易生成硬脆性變質(zhì)層，降低了塑性，一方面使得切屑呈現(xiàn)擠裂屑，另一方面使得加工表面層產(chǎn)生局部應力集中，降低了疲勞強度；磨削質(zhì)量不易控制，磨削鈦合金時，產(chǎn)生的拉應力以及磨削區(qū) 70%～80%的磨削熱傳入工件不易導出，使工件產(chǎn)生變形、燒傷和裂紋，表面粗糙度很難保證。

1 影響磨削效果的因素分析

1.1 影響磨削效果的幾個主要因素

1）砂輪的合理選擇和正確使用，直接影響磨削加工的效果，選擇砂輪考慮的要素有：磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑、組織。磨料常用有剛玉類、碳化硅類，金剛石類和立方氮化硼（CBN）等，磨料粒度的大小對加工表面粗糙度有直接影響，一般趨勢是粒度越高表面粗糙度越好；砂輪硬度高，磨料不易脫落，容易保證砂輪形狀；結(jié)合劑的性能影響砂輪的強度、耐腐蝕性、耐沖擊性及耐熱性等；砂輪組織的疏密影響磨削加工的生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。

2）磨削參數(shù)的設定，磨削參數(shù)包括砂輪轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度以及磨削余量的分配等幾個方面，砂輪轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度三個參數(shù)根據(jù)加工要求合理選擇。

3）磨削液的使用，磨削液具有的潤滑性能、冷卻性能、清洗性能和防銹性能可以有效提高磨削加工的效率和質(zhì)量。

2 磨削試驗設計

2.1 試驗設備

試驗設備包括：數(shù)控坐標磨床 S50CNC311、粗糙度測量儀、影像儀以及砂輪。數(shù)控坐標磨床S50CNC311如圖1所示，其主要參數(shù)如表1所示；粗糙度測量儀如圖2所示；影像儀用于觀察零件表面情況，可放大120倍并形成清晰圖像，儀器如圖3所示：

表1 試驗設備的主要參數(shù)

圖1 坐標磨床S50CNC311

圖2 粗糙度測量儀

圖3 影像儀

試驗選取三種不同砂輪如圖4所示，其參數(shù)如表2所示：

圖4 砂輪

表2 三種不同砂輪的參數(shù)

2.2 試驗參數(shù)設計

查閱鈦合金與不銹鋼磨削的資料，結(jié)合分廠現(xiàn)有資源和加工能力，根據(jù)不同砂輪設計磨削參數(shù)如表3-表5所示：

表3 白剛玉砂輪設計參數(shù)

表4 綠碳化硅砂輪設計參數(shù)

表5 CBN砂輪磨削鈦合金TC4設計參數(shù)

2.3 試驗用材料和試樣

試驗選用TC4鈦合金，綜合考慮零件定位裝夾、砂輪參數(shù)、磨削試驗參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)量的要求，設計磨削工序前零件尺寸為30x20x20mm，粗糙度要求Ra1.6，除上下端面外，可磨削8個面，零件形狀如圖5、圖6所示：

圖5 零件形狀圖

圖6 零件形狀圖

2.4 試驗方案設計

以表3-表5所示試驗參數(shù)進行全因子試驗，一組參數(shù)一類砂輪一種材料需要3x3x3=27次試驗，則所有試驗參數(shù)完成需要共27x3x2=162次磨削，加工周期長，經(jīng)過分析，使用表6所示試驗方案，以進給速度f、切削深度ap、轉(zhuǎn)速Vc作為三個因子，將表3-表5數(shù)據(jù)分類按數(shù)字所示帶入進行試驗，只需完成9x3x2=54次磨削即可完成，加工時間減少三分之二。試驗以插磨方式進行，為方便觀察磨削過程的一些變化，采用干磨的方式，不加切削液。

表6 試驗方案

3 磨削試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 磨削試驗數(shù)據(jù)

將表3-表5所設計參數(shù)按序號數(shù)字帶入表6完成試驗。粗糙度Ra使用粗糙度測量儀進行測量，材料去除率的計算按公式n=V（體積）/s（時間）=B·ap·f計算（B為切削區(qū)域?qū)挾热?2.5mm），所得試驗數(shù)據(jù)如表8-表11所示：

表7 白剛玉砂輪所得試驗數(shù)據(jù)

表8 綠碳化硅砂輪所得試驗數(shù)據(jù)

表9 CBN（立方氮化硼）所得試驗數(shù)據(jù)

3.2 磨削試驗數(shù)據(jù)處理

在磨削試驗數(shù)據(jù)處理中，以材料去除率n=5得80分為標準，其他按比例計算，以粗糙度Ra=0.2得20分每遞加減0.1加減兩分進行計算，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表10-表12所示：

表10 白剛玉砂輪磨削TC4

2 10 0.01 20000 1.25 0.4 20 16 363 10 0.02 25000 2.5 0.4 40 16 564 15 0.005 20000 0.938 0.4 15 16 315 15 0.01 25000 1.875 0.4 30 16 466 15 0.02 15000 3.75 0.4 60 16 767 20 0.005 25000 1.25 0.4 20 16 368 20 0.01 15000 2.5 0.3 40 18 589 20 0.02 20000 5 0.3 80 18 98材料去除率 粗糙度Ⅰ 1.45833 0.9377 2.29167Ⅱ 2.18767 1.875 2.396Ⅲ 2.91667 3.75 1.875 R 1.45833 2.8123 0.521Ⅰ 0.4 0.4 0.36667Ⅱ 0.4 0.3667 0.36667Ⅲ 0.33333 0.3667 0.4 R 0.06667 0.0333 0.03333綜合得分Ⅰ 39.3333 31 53.3333Ⅱ 51 46.667 55Ⅲ 64 76.667 46 R 24.6667 45.667 9

表11 綠碳化硅砂輪磨削TC4

表12 CBN砂輪磨削TC4

6 80 0.03 15000 30 0.8 480 8 4887 50 0.01 25000 6.25 0.6 100 12 1128 50 0.02 15000 12.5 0.7 200 10 2109 50 0.03 20000 18.75 0.8 300 8 308材料去除率 粗糙度Ⅰ 5 6.25 15Ⅱ 20 12.5 11.25Ⅲ 12.5 18.75 11.25 R 15 12.5 3.75Ⅰ 0.433 0.7 0.7Ⅱ 0.7 0.633 0.6Ⅲ 0.867 0.667 0.7 R 0.433 0.067 0.1綜合得分Ⅰ 95.33 110 250.7Ⅱ 326.7 211.3 189.3Ⅲ 210 310.7 192 R 231.3 200.7 58.67

3.3 鈦合金TC4磨削試驗數(shù)據(jù)分析

以表11、表12、表13數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，分析鈦合金TC4在使用不同砂輪磨削過程中，進給速度f、切削深度ap、轉(zhuǎn)速Vc三個因素對材料去除率得分、粗糙度得分及綜合得分的影響趨勢，得到如圖7、圖8、圖9所示折線圖：

圖7 對材料去除率的影響

分析圖7所示折線圖，三種不同砂輪磨削鈦合金TC4時，對材料去除率影響趨勢最大的是CBN砂輪，綠碳化硅砂輪稍好于白剛玉砂輪；材料去除率和進給速度、切削深度直接相關(guān)，圖7三種砂輪均是這個趨勢；使用白剛玉砂輪和綠碳化硅砂輪磨削鈦合金 TC4時，轉(zhuǎn)速對材料去除率影響不明顯；CBN砂輪磨削鈦合金TC4時，隨著轉(zhuǎn)速變高，材料去除率變低，其原因是CBN砂輪磨削鈦合金 TC4時，轉(zhuǎn)速變高，磨削溫度隨之增高，磨削力則下降，磨削力下降導致材料去除率下降。

分析圖8所示折線圖，磨削鈦合金TC4時，隨進給速度變大，使用CBN砂輪粗糙度變大趨勢顯著，使用綠碳化硅砂輪粗糙度基本無變化，使用白剛玉砂輪粗糙度呈下降趨勢；隨切削深度變大，使用CBN砂輪粗糙度變化趨勢不明顯，使用綠碳化硅砂輪在切深0-0.02mm范圍內(nèi)粗糙度先變大后變小，使用白剛玉砂輪呈緩慢下降趨勢；隨轉(zhuǎn)速升高，使用CBN砂輪粗糙度均呈先下降后升高趨勢，使用綠碳化硅砂輪粗糙度緩慢下降，使用白剛玉砂輪粗糙度緩慢上升。

圖8 對粗糙度的影響

圖9 對綜合得分的影響

綜合分析，使用CBN砂輪磨削鈦合金TC4，粗磨削時可以選擇比較大的進給速度和切削深度，砂輪轉(zhuǎn)速選較低值，優(yōu)選參數(shù)為進給速度50mm/min、切削深度0.03mm、轉(zhuǎn)速15000r/min。精磨削時，可以使用小的進給速度、大的切削深度和合適的轉(zhuǎn)速，優(yōu)選參數(shù)為進給速度20mm/min、切削深度0.03mm、轉(zhuǎn)速25000r/min；使用綠碳化硅砂輪磨削TC4優(yōu)選參數(shù)為進給速度25mm/min、切削深度0.02mm、轉(zhuǎn)速20000r/min；使用白剛玉砂輪輪磨削 TC4優(yōu)選參數(shù)為進給速度 15mm/min、切削深度0.02mm、轉(zhuǎn)速20000r/min。

4 補充磨削試驗

在使用CBN砂輪磨削鈦合金TC4時，設計磨削參數(shù)值比較大，導致磨削后的表面質(zhì)量不好，因此進行了補充磨削試驗。在選用較小的加工參數(shù)后，表面質(zhì)量可以很好保證，結(jié)果如表14所示：

表14 補充磨削試驗結(jié)果

5 磨削照片比較

磨削完成后，磨削表面均使用影像儀放大40倍進行拍照記錄，方便進行對比觀察與分析。鈦合金 TC4磨削后的照片如圖10所示：

圖10 鈦合金TC4磨削后的照片

6 結(jié)束語

綜合以上分析，可得出如下結(jié)論：

磨削鈦合金TC4優(yōu)選CBN砂輪，次選綠碳化硅砂輪和白剛玉砂輪。

使用CBN砂輪磨削鈦合金TC4，粗磨削時可以選擇比較大的進給速度和切削深度，砂輪轉(zhuǎn)速選較低值，優(yōu)選參數(shù)為進給速度 50mm/min、切削深度 0.03mm、轉(zhuǎn)速15000r/min；精磨削時，可以使用小的進給速度、大的切削深度和合適的轉(zhuǎn)速，優(yōu)選參數(shù)為進給速度20mm/min、切削深度0.03mm、轉(zhuǎn)速25000r/min；使用綠碳化硅砂輪磨削 TC4優(yōu)選參數(shù)為進給速度 25mm/min、切削深度0.02mm、轉(zhuǎn)速 20000r/min；使用白剛玉砂輪輪磨削 TC4優(yōu)選參數(shù)為進給速度 15mm/min、切削深度 0.02mm、轉(zhuǎn)速20000r/min。

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Optimization of Grinding Parameters of Titanium Alloy By Orthogonal Test

WU Dong*
（Chinese air to Air Missile Research Institute,Henan Luoyang,471009,China）

This paper uses orthogonal test method,the material removal rate and surface roughness of two comprehensive analysis dimensions under different grinding conditions on the grinding quality of titanium alloy TC4,optimized parameters so that the grinding of titanium alloy TC4.

titanium alloy TC4; grinding parameters; orthogonal test

TH1615

A

1672-9129(2017)04-0108-06

吳東.正交試驗法優(yōu)化鈦合金磨削參數(shù)[J].數(shù)碼設計,2017,6(4):108-113.

Cite：WU Dong.Optimization of Grinding Parameters of Titanium Alloy By Orthogonal Test[J].Peak Data Science,2017,6(4):108-113.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.028