工藝參數(shù)對cBN砂輪加工TC4鈦合金磨削性能的影響

陳日月，劉小磐，張先桂，孔偉兵，高朋召

(1.廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院，廣東 廣州 510300； 2.湖南大學(xué) 材料與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

前 言

TC4鈦合金其名義成分為Ti6Al4V，馬氏體α+β型鈦合金，高鋁當(dāng)量(鋁當(dāng)量6)。密度為4.5g/cm3，抗拉強(qiáng)度大于850MPa，具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、造船、汽車，醫(yī)藥等部門[1]。TC4本身表面硬度不高，HRC30左右。但是當(dāng)采用傳統(tǒng)的剛玉砂輪對TC4工件進(jìn)行磨削加工時(shí)，磨削熱量會使材料表面被氧化、氮化和碳化，會形成一氧化鈦、二氧化鈦、碳化鈦和氮化鈦的混合表皮，該混合表皮的硬度非常高，其中TiC和Ti3N4的HRC硬度都超過了65，所以傳統(tǒng)的剛玉砂輪很難加工TC4鈦合金[2]。

立方氮化硼(cBN)是所有材料中硬度僅次于金剛石的物質(zhì)，它具有熱導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性好，紅硬性高等特點(diǎn)。用人工合成的cBN顆粒和陶瓷結(jié)合劑制備的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪，具有彈性模量高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、磨削效率高，磨削質(zhì)量好等特點(diǎn)，特別適用于黑色金屬材料的成型磨削和拋光。目前有研究者嘗試性地研究了陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪加工TC4鈦合金，初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，cBN砂輪磨削TC4鈦合金時(shí)其磨削效率和工件表面質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于剛玉砂輪加工的零件[3-4]。但是系統(tǒng)地研究工藝參數(shù)對陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪加工TC4鈦合金磨削性能影響的報(bào)道目前還未見。

實(shí)驗(yàn)采用自制的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪對TC4鈦合金棒型零件進(jìn)行了外圓磨削，探討了砂輪的工作轉(zhuǎn)速、砂輪進(jìn)刀量和砂輪的修整周期對cBN砂輪磨削性能的影響，為開發(fā)高質(zhì)量的TC4鈦合金零件加工工藝提供了理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制備流程如圖1所示：

圖1 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Preparation process of vitrified-bond diamond wheels

先將按配方稱取的cBN磨料(120/140#，河南富耐克991型磨料)和結(jié)合劑置于研缽中，再加入適量潤濕劑和臨時(shí)粘結(jié)劑充分混合、過篩。將混好的成型料在壓機(jī)上用30MPa壓力壓制成相應(yīng)尺寸的砂輪坯體，再按一定順序脫模，獲得砂輪坯體。將砂輪坯體室溫下干燥6h后，在烘箱內(nèi)70℃下干燥24h。再將砂輪放入箱式電阻爐中以3℃/min的速度升溫至800℃保溫2小時(shí)后隨爐冷卻獲得砂輪燒結(jié)體。再將燒結(jié)體采用環(huán)氧膠粘接于40Cr基體上，再用金剛石滾輪對砂輪外圓和端面進(jìn)行加工，獲得磨削實(shí)驗(yàn)用砂輪樣品。

砂輪的規(guī)格為1A1455×27×202×5，工作平臺為德國Walter400combi型外圓磨削加工中心，最高轉(zhuǎn)速3500r/min，冷卻介質(zhì)為水。磨削工件為TC4圓棒，棒體尺寸Φ16×80mm，單邊磨削量0.3mm。

砂輪在某一參數(shù)下穩(wěn)定工作后，磨削0.5h，通過加工中心橫向坐標(biāo)的變化，算出金剛石砂輪的消耗體積Vw，通過計(jì)算加工的鈦棒數(shù)量，算出磨削掉的鈦棒的體積Vs，用Vs除以Vw，算出砂輪在該工藝參數(shù)下相對于鈦棒的磨耗比G。砂輪在某一參數(shù)下穩(wěn)定工作后，讀出機(jī)床的輸出功率，將功率除以砂輪的轉(zhuǎn)速，即獲得砂輪工作時(shí)所承受的切向磨削力。砂輪磨削加工后，將TC4鈦棒浸泡在無水乙醇中超聲清洗1h，干燥后采用上海倫捷機(jī)電儀表有限公司SRT-6200手持式粗糙度測量儀測量鈦棒3處不同地方的表面粗糙度，取其平均值為鈦棒粗糙度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂輪工作速度對砂輪磨削性能的影響

在進(jìn)刀量為0.3mm/min的條件下，通過改變磨削中心主軸的轉(zhuǎn)速考察了砂輪在不同工作速度下的磨削性能(表1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著砂輪工作速度的提高，砂輪加工后的鈦棒表面粗糙度數(shù)值Ra下降，磨耗比提高，砂輪磨削時(shí)的切向磨削力下降。

表1 不同工作速度下陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的磨削性能

圖2為cBN砂輪不同工作速度加工出的鈦棒表面，當(dāng)cBN砂輪徑向進(jìn)刀量恒定時(shí)，砂輪工作速度越快，砂輪單圈進(jìn)刀量越小，磨料單圈切入鈦棒深度越小。顯微照片表明,當(dāng)砂輪的工作速度為30m/s時(shí)，砂輪在鈦棒表面產(chǎn)生的磨削槽寬度較寬，說明cBN磨粒切入TC4鈦棒深度較深；當(dāng)砂輪工作速度為60m/s時(shí)，TC4表面的磨削槽更加細(xì)密，表明磨粒切入較淺。

圖2 cBN砂輪不同工作速度加工出的鈦棒表面Fig.2 TC4 surfaces processed by CBN wheels at different speedsa.30m/s; b.60m/s

當(dāng)砂輪工作穩(wěn)定時(shí)，磨床主軸電機(jī)的輸出功率基本為一定值，此時(shí)砂輪磨削所產(chǎn)生的切向磨削力也基本恒定，根據(jù)作用力與反作用力原理，砂輪的磨削力應(yīng)該等于磨粒在磨削時(shí)對鈦棒表面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，假設(shè)單顆磨粒一個(gè)磨削周期只產(chǎn)生一條切屑，則砂輪的磨削力為[5]：

Ft=nδ0aε

(1)

式中:Ft為砂輪的切向磨削力；n為參加磨削的磨粒數(shù)，與磨料尺寸和磨料濃度有關(guān)；a為磨屑的截面積；δ0為TC4鈦棒的抗剪切強(qiáng)度；ε為形狀因子在0.25～0.4之間。由式(1)得出，相同的砂輪，工作速度提高后，磨屑的截面積減小，所以砂輪切向磨削力Ft隨著砂輪工作速度的提高而下降，該理論推導(dǎo)與表1測試的磨削力隨砂輪工作速度改變而變化的趨勢也符合較好。

圖3為當(dāng)砂輪工作速度為60m/s時(shí)，砂輪進(jìn)刀量對砂輪磨耗比的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)cBN砂輪進(jìn)刀量小于0.2mm/min時(shí)，砂輪的進(jìn)刀量對磨耗比影響很小；當(dāng)進(jìn)刀量大于0.2mm/min時(shí)，隨著砂輪進(jìn)刀量的增加，砂輪的磨耗比迅速下降。

圖3 砂輪進(jìn)刀量對砂輪磨耗比的影響Fig.3 Effects of wheel cutting depth on grinding ratio

cBN砂輪在磨削過程中的損耗形式主要為cBN磨料的破碎與脫落，所以砂輪的磨耗比實(shí)際上決定于磨料的損耗速度，損耗速度越快砂輪磨耗比越低[6]。對于同一片砂輪在相同的磨削速度和冷卻條件下，磨料的損耗速度主要與砂輪所承受的磨削力有關(guān)，圖4為砂輪進(jìn)刀量對砂輪切向磨削力的影響。圖4顯示，隨著進(jìn)刀量的增加，砂輪所承受的切向磨削力增大，但是當(dāng)進(jìn)刀量小于0.2mm/min時(shí)，隨著進(jìn)刀量的增加，砂輪切向磨削力增加幅度較??；當(dāng)進(jìn)刀量大于0.2mm/min時(shí)，隨著進(jìn)刀量的增加，砂輪切向磨削力快速增加。因?yàn)槭峭黄拜?，cBN磨料的抗剪切強(qiáng)度一定，當(dāng)砂輪切向磨削力增大后，cBN磨料更易破碎消耗，所以砂輪的磨耗比下降。

圖4 砂輪進(jìn)刀量對砂輪切向磨削力的影響Fig.4 Effects of wheel cutting depth on the tangential grinding force

圖5為不同進(jìn)刀量下的砂輪工作面形貌。當(dāng)進(jìn)刀量為0.1mm/min時(shí)，砂輪的工作面出現(xiàn)了明顯的磨料破碎現(xiàn)象，此時(shí)磨料在磨削熱和冷卻液的交替作用下由于熱應(yīng)力破碎為小塊脫落，磨削刃的露出高度較低，整個(gè)砂輪的工作面較為平整，在較小進(jìn)刀量下，磨削刃切入砂輪深度也較淺，所以磨削力較小，磨料脫落速度也較慢，磨耗比較高。當(dāng)進(jìn)刀量為0.4mm/min時(shí)，砂輪的工作面出現(xiàn)了較多的碎片，部分碎片上有燒結(jié)氣孔的痕跡，可以斷定為結(jié)合劑的碎片[7]，與破碎結(jié)合劑相臨的磨料也有整顆脫落的現(xiàn)象。該顯微結(jié)構(gòu)表明，cBN砂輪隨著進(jìn)刀量的增加，結(jié)合劑所承受的應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度超過結(jié)合劑強(qiáng)度時(shí)，磨料間的結(jié)合劑橋斷裂，砂輪的損耗形式由磨料破碎脫落轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ险Ｃ撀?，隨著磨料脫落形式的轉(zhuǎn)變，磨削面上磨削刃的露出高度大幅度增加，在大進(jìn)刀量條件下，磨削刃切入工件的深度也會有一個(gè)突然的變大，所以對應(yīng)磨削力也有一個(gè)跳躍式上升，而磨耗比則隨著進(jìn)刀量增大而快速下降。

圖5 cBN砂輪不同進(jìn)刀量下工作面形貌進(jìn)刀量Fig.5 SEM image of 1# wheel under different cutting depthsa. 0.1mm/min; b. 0.4mm/min

進(jìn)刀量對加工工件表面粗糙度的影響如圖6所示。對于cBN砂輪，進(jìn)刀量對磨削后TC4工件的表面粗糙度影響不大，隨進(jìn)刀量增大，工件輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)波動較小，不平度十點(diǎn)高度(Rz)呈緩慢遞增趨勢。進(jìn)刀量小時(shí)，加工工件的表面質(zhì)量優(yōu)于大進(jìn)刀量下加工的工件。這主要是因?yàn)?，?dāng)進(jìn)刀量較小時(shí)，cBN磨料的失效方式以破碎為主，工作面上磨料的露出高度較低，因此加工出的工件表面粗糙度較好；當(dāng)進(jìn)刀量較大時(shí)，cBN磨料的失效方式卻以脫粒為主，此時(shí)工件的表面粗糙度由磨料粒度決定，加工出的工件表面粗糙度較大。

磨削過程中，工件的表面粗糙度取決于磨料切入工件的深度[8]。如圖6所示，當(dāng)進(jìn)刀量較小時(shí)，磨料的失效方式以破碎為主，工作面上磨料的露出高度較低，因此加工出的工件表面粗糙度較好；當(dāng)進(jìn)刀量較大時(shí)，cBN磨料的失效方式以脫粒為主，此時(shí)工件的表面粗糙度由磨料粒度決定，cBN砂輪加工出的工件表面粗糙度較大。

圖6 砂輪進(jìn)刀量對加工后TC4工件表面粗糙度影響Fig.6 Effects of wheel cutting depth on surface roughness of processed TC4 workpieces.

3 結(jié)論

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪能夠加工TC4鈦合金工件，cBN砂輪的工作參數(shù)對砂輪的磨削性能有較大的影響。當(dāng)進(jìn)刀量恒定時(shí)，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，砂輪的磨耗比上升，砂輪承受的磨削力和加工工件的表面粗糙度值Ra下降。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速恒定，隨著砂輪進(jìn)刀速率的增大，砂輪的磨耗比下降，砂輪承受的磨削力和加工工件的表面粗糙度值Ra上升。當(dāng)砂輪工作速度為60m/s，進(jìn)刀量為0.3mm/min時(shí)，cBN砂輪對TC4鈦棒的磨耗比為1004，砂輪承受切向磨削力為207N，加工后的TC4鈦棒的表面粗糙度為Ra0.28μm。