修整參數(shù)對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V微磨削影響的研究*

王 紅，王立新

(1.沈陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院，撫順 113122；2.安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引言

近年來(lái)，微結(jié)構(gòu)工件隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展在工業(yè)和軍事領(lǐng)域的需求逐漸提高。機(jī)械微細(xì)加工是以鈦等各種工程材料為原料，生產(chǎn)高精度、復(fù)雜特點(diǎn)的微零件的關(guān)鍵制造技術(shù)之一[1-2]。鈦合金作為一種典型的難加工材料，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性以及較高生物相容性等特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使鈦合金成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想材料[3-4]。

微磨削工藝與其他機(jī)械加工技術(shù)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，特別是在加工精度和表面質(zhì)量方面。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于不同材料微磨削過(guò)程的研究已取得了較多的研究成果，周云光等[5]研究了微磨削參數(shù)對(duì)高溫合金表面質(zhì)量和亞表面再結(jié)晶的影響；Feng[6]對(duì)陶瓷材料微磨削過(guò)程中刀具磨損進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，同時(shí)也提出了一種預(yù)測(cè)微磨削創(chuàng)成表面的仿真模型。然而，對(duì)于鈦合金微磨削的研究還缺少相關(guān)研究。另外，微磨削刀具的微觀形貌很大程度上受修整過(guò)程的影響，對(duì)磨削過(guò)程的性能起著至關(guān)重要的作用，它不僅影響磨削力和磨削溫度，而且影響表面光潔度和完整性。Rasifard等[7]對(duì)立方氮化硼砂輪進(jìn)行了超聲輔助修整，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明修整后的砂輪磨損率降低到50%；Malkin和Murray[8-9]對(duì)修整過(guò)程進(jìn)行了力學(xué)分析，證明了磨削表面粗糙度隨磨削砂輪表面粗糙度值增加而增加，但會(huì)一定程度上降低磨削力。

基于以上研究，針對(duì)鈦合金微磨削過(guò)程中修整參數(shù)對(duì)磨削過(guò)程的影響進(jìn)行分析。本文研究了鈦合金Ti-6V-4Al在極高的修整重疊比下微磨削的實(shí)驗(yàn)研究，建立修整速度比和重疊比對(duì)法向磨削力和切向磨削力的影響關(guān)系，同時(shí)對(duì)所獲得的表面粗糙度的影響進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)工件材料為鈦合金Ti-6Al-4V，工件尺寸為30×20×10 mm，利用直徑為2 mm的金剛石磨銷(D46 C150 V)對(duì)工件進(jìn)行加工。其中，金剛石磨銷采用直徑為100 mm的金剛石修整滾輪進(jìn)行修整，磨削液為油霧冷卻液。微磨削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用不同的切削速度vc、修整速度比qd和修整重疊比Ud研究鈦合金微磨削過(guò)程中這些參數(shù)對(duì)磨削力和表面粗糙度的影響，具體參數(shù)如表1所示。其中，磨削深度aed固定為2μm，每組實(shí)驗(yàn)分別重復(fù)3次。磨削實(shí)驗(yàn)在高精密五軸數(shù)控加工中心進(jìn)行，力傳感器(9256C2)和表面粗糙度測(cè)試儀(Hommel-Werke model T-1000)分別用于測(cè)量加工過(guò)程中的磨削力和工件表面粗糙度，在磨削路徑的起始、中間和末端3個(gè)位置垂直于磨削方向的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 磨削力

2.1.1 切削速度的影響

不同切削速度的條件下修整重疊比對(duì)磨削力的影響如圖2所示。由圖可知，切削速度與磨削力成反比關(guān)系，即隨著切削速度的增加，磨削力減小。這可能是由于切削速度的增加，各個(gè)磨粒的運(yùn)動(dòng)能和沖擊力相應(yīng)增加。另外，切削速度的提高能夠減少運(yùn)動(dòng)切削刃的數(shù)量及每個(gè)磨粒的平均切削厚度。因此，作用于每個(gè)磨粒上的磨削力相應(yīng)地減少，進(jìn)而降低了總磨削力。

圖2 不同切削深度下磨削力隨修整重疊比變化

2.1.2 修整重疊比的影響

微磨削過(guò)程中，修整重疊比可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，aed表示修整切削深度，rpd和fad分別表示修整刀具半徑和軸向進(jìn)給。其中fad=vfad/ns，式中ns表示磨削銷的旋轉(zhuǎn)速度。假設(shè)切削寬度與修整刀具的有效寬度相等，在微磨削過(guò)程中重疊比通常在2～8之間；在微修整過(guò)程中的刀具半徑相對(duì)較小，刀具旋轉(zhuǎn)速度值能夠達(dá)到較大值。因此，微磨削過(guò)程中通過(guò)設(shè)置較低的修整重疊比Ud來(lái)達(dá)到較高的修整進(jìn)給量是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。本文采用幾組不同的較大值的修整重疊比值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)圖2可知，高的修整重疊比(通過(guò)減少修整進(jìn)給量來(lái)實(shí)現(xiàn))增加了所有切削速度下的切削力。同時(shí)，磨削刀具的微觀形貌也受修整重疊比的影響，其理論磨削刀具表面粗糙度、表面粗糙度與修形重疊比的關(guān)系，如下式：

(2)

由式(2)可知，修整重疊比值越高，磨削刀具的微觀形貌質(zhì)量越好，磨削刀具靜態(tài)和動(dòng)態(tài)切削刃數(shù)量增加，磨削時(shí)的摩擦和犁耕量增加，同時(shí)也增加了磨削過(guò)程中的磨削力。另一方面，較高的修整重疊比也降低了磨砂脫落的比例。高修整力(發(fā)生在較低的修整重合比)導(dǎo)致磨削銷的劇烈修整，磨粒尖端可能會(huì)出現(xiàn)廣泛斷裂和粗糙現(xiàn)象。當(dāng)使用較高的修整進(jìn)料率時(shí)，磨削刀具的表面會(huì)變得更粗糙(晶粒也會(huì)變得更鋒利)，磨粒切削刃越鋒利，產(chǎn)生的磨削力就越小。法向磨削力Fn和切向磨削力Ft隨著磨粒表面磨平區(qū)的增大而增大。

(3)

(4)

Aa=b(deae)1/2A

(5)

2.1.3 修整速度比的影響

在旋轉(zhuǎn)修整過(guò)程中，磨削刀具和修整滾輪在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中相互嚙合。修整速度比qd取決于所采用的速度、旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)于修整過(guò)程產(chǎn)生很大的影響。修整速度比qd對(duì)修整過(guò)程中的影響可表示為：

qd=vcd/vc

(6)

式中，vc和vcd分別表示為磨削刀具速度和修整滾輪速度。旋轉(zhuǎn)修整可以分為兩個(gè)不同過(guò)程：逆修整qd<0和順修整qd>0過(guò)程。大多數(shù)修整過(guò)程中，修整速度比值范圍為-0.8～+0.8之間。磨削力隨修整速度比變化如圖3所示。由圖可知，速度比值由-0.4增加到+0.8過(guò)程中，磨削力顯著減小。

圖3 磨削力隨修整速度比變化示意圖

另外，相較于逆修整過(guò)程，順修整加工得到的磨削刀具其有效粗糙度較大。相反，修整-磨削刀具的接觸長(zhǎng)度在逆修整過(guò)程中要比順修整大得多，從而導(dǎo)致磨具的磨損扁平化程度高，表面粗糙度高，磨削力大。具體修整過(guò)程如圖4所示，圖4a顯示了磨削銷修整過(guò)程中金剛石磨粒的軌跡圖。修整過(guò)程開(kāi)始于點(diǎn)A(P.1)，結(jié)束于點(diǎn)B(P.3)，修整路徑為L(zhǎng)d。金剛石磨粒在點(diǎn)P.2達(dá)到最大切削深度aed。對(duì)于逆修整過(guò)程，由點(diǎn)P.1到P.3經(jīng)歷的時(shí)間可以表示為：

dt=(t3-t1)=dl(P.1-P.3)/vcd

(7)

t3-t1=Ld/vcd

(8)

式中，t3表示金剛石磨粒離開(kāi)磨削砂輪的持續(xù)時(shí)間，Ld為修整磨粒軌跡長(zhǎng)度。對(duì)于兩種修整過(guò)程，修整軌跡產(chǎn)生的磨損刀具表面Ls可以利用下式計(jì)算：

Ls (P.1-P.3)= (t3-t1)·(vc-vcd)

(9)

結(jié)合式(6)～式(9)，Ls可以表示為：

(10)

根據(jù)式(10)，當(dāng)修整過(guò)程由順修整改變?yōu)槟嫘拚^(guò)程時(shí)，修整輪與微磨銷的接觸長(zhǎng)度增加，如圖4b和圖4c所示。由圖可知，接觸長(zhǎng)度和接觸幾何形狀的改變都會(huì)影響磨削銷的理論粗糙度。實(shí)線曲線表示通過(guò)兩種不同的修整方法，在磨削銷上產(chǎn)生的相應(yīng)輪廓。逆修整過(guò)程中，在磨削銷中產(chǎn)生的軌跡由于接觸長(zhǎng)度較大出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。因此，降低了峰谷高度，使磨削刀具的微觀形貌變得更加光滑。

(a)整個(gè)過(guò)程金剛石磨粒的軌跡

(b)逆修整過(guò)程 (c)順修整過(guò)程圖4 磨削銷修整原理示意圖

2.2 表面粗糙度

2.2.1 切削速度的影響

微磨削過(guò)程中表面粗糙度隨切削速度的增大而增大。表面粗糙度參數(shù)Rz隨著磨削速度的提高而不斷上升；當(dāng)切削速度從6 m/s提高到10 m/s時(shí)，粗糙度Ra沒(méi)有明顯變化。然而，值在切削速度達(dá)到14 m/s時(shí)發(fā)生輕微的增加，如圖5a所示。

然而，在微磨削中，刀具的直徑很小，因此刀具的長(zhǎng)度與直徑之比相對(duì)較大。因此，作為柔性懸臂梁的磨削刀具，切削磨削力Ft(作用于刀具徑向方向上)會(huì)使刀具發(fā)生偏轉(zhuǎn)平行于切屑。當(dāng)磨削刀具在加工過(guò)程中以高轉(zhuǎn)動(dòng)頻率旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的偏轉(zhuǎn)會(huì)引起不良的橫向振動(dòng)。因此，由于磨削銷的磨損和較高的離心力，使切削速度與增加的振動(dòng)相一致。一般情況下，較高的切削速度提高了磨削過(guò)程中的表面粗糙度。然而，在微磨削過(guò)程中，在較高的切削速度下存在的振動(dòng)會(huì)影響到所期望的效果，從而使表面粗糙度變差。

2.2.2 修整重疊比的影響

為了研究磨削重疊比、磨削量與表面粗糙度的關(guān)系，選擇了切削深度較大的磨削(即較高的材料去除率)。圖5b為表面粗糙度隨修整重疊比變化的關(guān)系圖，當(dāng)修整重疊比從45提高到910時(shí)，觀察到的表面粗糙度提高了60%。如前所述，較高的修整重疊比會(huì)使磨削刀具的微觀形貌更加精細(xì)，從而降低磨削工件的表面粗糙度。

2.2.3 修整速度比的影響

表面粗糙度隨修整速度比變化的關(guān)系圖如圖5c所示。由圖可知，當(dāng)由逆修整變?yōu)轫樞拚麜r(shí)，表面粗糙度隨之增加。磨削刀具的理論粗糙度隨修整速度比的增大而增大，當(dāng)?shù)毒叽植诙仍礁?，磨削表面越粗糙。磨削銷微觀形貌如圖6所示，從顯微照片可以看出，磨削銷的形貌受修整重疊比的影響。逆修整得到較為均勻的刀具表面，刀具微觀表面質(zhì)量較好。

(c)修整速度比圖5 表面粗糙度隨相關(guān)參數(shù)變化關(guān)系

(a)Ud=270 (b) Ud=45

3 結(jié)論

鈦合金Ti-6Al-4V微磨削過(guò)程中，加工效果受修整參數(shù)(深度、速度比以及重疊比)的影響較大。本文建立修整速度比和重疊比下Ti-6Al-4V微磨削過(guò)程中法向磨削力和切向磨削力的影響關(guān)系，并對(duì)其不同參數(shù)下表面粗糙度進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表面：微磨削過(guò)程中，修整重疊比和修整速度比是影響磨削表面粗糙度和磨削力的主要因素；且較高的修整重疊比能夠減少磨粒上的切屑冷焊現(xiàn)象，進(jìn)而減少刀具在切屑槽中的載荷。當(dāng)修整重疊比較低時(shí)，會(huì)降低磨削工件表面質(zhì)量?？傮w來(lái)說(shuō)，修整參數(shù)對(duì)磨削刀具的表面質(zhì)量、磨削力和切屑載荷有很大的影響，可以通過(guò)改變修整重疊比和修整速度比來(lái)優(yōu)化磨削刀具的表面質(zhì)量。同時(shí)，較高的重疊參數(shù)比(不用于常規(guī)砂輪的修整)在微磨削中的積極影響提供了理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。