球形固結(jié)磨料磨頭研磨TC4鈦合金的工藝探索*

王健杰， 李 軍， 黃俊陽， 明 舜， 朱永偉， 左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中最核心的是葉片的制造，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過程中，葉片制造一直占據(jù)著三分之一以上的工作量[1]。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料之一，TC4鈦合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，同時(shí)密度低、耐高溫腐蝕。但是TC4鈦合金難切削、導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量低，在傳統(tǒng)加工中，容易出現(xiàn)加工變形、刀具損耗快、工件表面燒傷等問題[2-3]。

目前TC4鈦合金材料加工的主要方式為磨削、銑削等[4]。唐昆研究了TC4鈦合金高效深磨的磨削用量對(duì)磨削力、磨削力比和比磨削能的影響，建立了TC4鈦合金工件表面粗糙度預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行了磨削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5]。ZHENG等使用綠碳化硅砂輪對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了濕磨和干磨實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨削深度對(duì)磨削后工件表面粗糙度的影響大于工件速度的影響，濕磨后工件表面粗糙度優(yōu)于干磨后的[6]。郭力等通過高效深磨TC4鈦合金的工藝實(shí)驗(yàn)分析了不同磨削力作用下的材料去除方式，研究了磨削功率與材料去除體積之間的關(guān)系，優(yōu)化了TC4鈦合金高效深磨工藝[7-8]。WEI等開展TC4鈦合金砂帶磨削實(shí)驗(yàn)，研究了不同磨削參數(shù)對(duì)TC4鈦合金工件表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋯剛玉帶的切削速度在18 m/s至26 m/s之間時(shí)，工件表面完整性較好[9]。鄭偉生采用TC4鈦合金微磨削加工實(shí)驗(yàn)探索了磨削過程中應(yīng)力、切削力、溫度等因素對(duì)磨削后工件表面質(zhì)量的影響，優(yōu)化了磨削工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)磨削后表面質(zhì)量的影響最顯著[10]。CHEN等研究了TC4鈦合金高速磨削的工藝參數(shù)對(duì)工件表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著CBN砂輪線速度增加，工件表面粗糙度值先減小后增大；隨著磨削深度的增加，粗糙度值增大[11]。ZHAO等分析了不同磨削參數(shù)對(duì)TC4鈦合金磨削過程中材料去除率和表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)磨削參數(shù)的變化對(duì)表面完整性的影響較大[12]。楊振朝等開展TC4鈦合金高速銑削實(shí)驗(yàn)及仿真研究，探索了銑削速度對(duì)加工中溫度場(chǎng)分布及工件表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)銑削速度越高，加工中刀具的最高溫度越高，工件表面粗糙度值越低[13]。趙顯嵩通過TC4鈦合金高速切削實(shí)驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速等切削參數(shù)對(duì)工件粗糙度的影響，優(yōu)化TC4鈦合金切削工藝，提高了加工效率及工件表面質(zhì)量[14]。

固結(jié)磨料研磨通過磨粒露出結(jié)合劑層的部位與工件產(chǎn)生機(jī)械作用，對(duì)工件材料產(chǎn)生塑性或類塑性去除，可以顯著降低材料表面及亞表面損傷；同時(shí)，由于加工中磨粒硬度高，切削應(yīng)力小，可有效解決TC4鈦合金難切削、工件表面易燒傷等問題?；诠探Y(jié)磨料研磨技術(shù)設(shè)計(jì)球形固結(jié)磨料磨頭，開展TC4鈦合金研磨試驗(yàn)，分析研磨時(shí)的材料去除機(jī)理，優(yōu)化研磨工藝參數(shù)，可兼顧研磨過程中材料去除效率(Material removal rate，MRR)和表面粗糙度值(Surface roughness，SR)的要求。

1 試驗(yàn)設(shè)置

研磨試驗(yàn)在無錫帥克數(shù)控設(shè)備有限公司的ES608型三軸數(shù)控雕刻機(jī)上進(jìn)行，研磨工具為自行設(shè)計(jì)的球形固結(jié)磨料磨頭，如圖1所示，磨頭的半徑為10 mm。研磨時(shí)磨頭由夾頭裝夾在雕刻機(jī)主軸上，磨頭桿始終保持豎直。工件為50 mm×50 mm×3 mm的TC4鈦合金，工件通過承載臺(tái)及角度可調(diào)的平口鉗固定在機(jī)床水平工作臺(tái)上，改變平口鉗與水平工作臺(tái)的夾角即可調(diào)節(jié)磨頭桿與工件之間的研磨夾角，研磨裝置如圖2所示。

圖1 球形固結(jié)磨料磨頭Fig.1Sphericalfixedabrasiveshead圖2 研磨裝置Fig.2Lappingmachine

單點(diǎn)固結(jié)磨料研磨示意圖如圖3所示。圖3中ω為磨頭轉(zhuǎn)速、θ為磨頭桿與工件平面間的研磨夾角，R為磨頭半徑，δ為研磨時(shí)磨頭在工件表面的進(jìn)給深度，即研磨進(jìn)給量。

1.1 磨粒優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)置

分別采用粒徑1～3 μm、5～10 μm、20～30 μm的碳化硅以及粒徑12～22 μm、20～30 μm的金剛石為磨粒制作球形固結(jié)磨料磨頭，進(jìn)行TC4鈦合金研磨試驗(yàn)，分析不同粒徑的金剛石及碳化硅磨料的研磨效果。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 磨粒優(yōu)化試驗(yàn)工藝參數(shù)

1.2 研磨工藝優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)置

選用粒徑20～30 μm的碳化硅為磨料制作球形固結(jié)磨料磨頭，開展研磨工藝優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)中主要考慮磨頭轉(zhuǎn)速、研磨夾角、研磨時(shí)間對(duì)材料去除率和表面質(zhì)量的影響，不考慮各因素間的交互作用，選用L9(34)正交試驗(yàn)表，根據(jù)前期探索試驗(yàn)選擇的各因素水平如表2所示。正交試驗(yàn)中研磨進(jìn)給量固定為0.2 mm。

表2 研磨正交試驗(yàn)因素與水平表

每次試驗(yàn)結(jié)束后，將加工后的TC4鈦合金在酒精中超聲清洗5 min，之后用酒精棉擦拭并吹干。使用梅特勒ME104E精密分析天平測(cè)量工件研磨前后的質(zhì)量變化，該分析天平的分辨率為0.1 mg；使用NanoMap 500LS探針三維形貌儀檢測(cè)工件研磨后的表面粗糙度；采用XJX-200型顯微鏡觀測(cè)TC4鈦合金工件表面形貌。

2 結(jié)果討論

2.1 磨粒對(duì)TC4鈦合金研磨的影響

采用不同種類及粒徑的磨料制作球形固結(jié)磨料磨頭，研磨后TC4鈦合金工件的表面形貌如圖4所示。從圖4可以看到研磨后工件表面有明顯的平行直線磨痕。因?yàn)檠心r(shí)工件材料的去除主要依靠磨頭表面出露磨粒的機(jī)械劃刻作用，研磨過程中工件固定，磨頭繞機(jī)床主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，磨頭表面的磨粒沿磨頭外球面的切線方向劃過工件，磨粒的速度矢量在工件表面的投影彼此平行，因此研磨后在工件表面留下一道道平行的磨痕。由圖4a～圖4c發(fā)現(xiàn)：隨著磨料粒徑增大，工件表面磨痕的寬度及深度逐漸增加。對(duì)比圖4c～圖4e用碳化硅磨頭(SiC)或金剛石磨頭(Dia)研磨后的工件表面，發(fā)現(xiàn)金剛石磨頭研磨后工件表面劃痕的寬度更寬，且工件表面存在一定的研磨凹坑，金剛石磨料的粒徑越大，工件表面凹坑越明顯。由于金剛石磨料硬度較高，研磨時(shí)不易發(fā)生磨損及破碎，整顆脫落的金剛石磨粒尺寸較大，容易在工件表面發(fā)生滾壓作用，產(chǎn)生一定的研磨凹坑。

(a)1～3μmSiC(b)12～22μmSiC(c)20～30μmSiC(d)12～22μmDia(e)20～30μmDia圖4 不同磨粒的磨頭研磨后TC4工件表面形貌Fig.4TC4surfaceafterlappingwithdifferentabrasiveheads

圖5為不同磨粒的磨頭研磨TC4鈦合金工件時(shí)的材料去除率及表面粗糙度。從圖5a可以看出：金剛石與碳化硅磨料的粒徑越大，材料去除率越高；同時(shí)，相同粒徑時(shí)，金剛石和碳化硅引起的材料去除率差別不大。因?yàn)槟チ系牧皆酱?，研磨時(shí)磨粒切入工件表面的深度越大，磨粒單次劃刻所造成的材料去除越多，在磨頭轉(zhuǎn)速相同的情況下，其材料去除率也就越高。從圖5b可以看出：金剛石與碳化硅磨料的粒徑越大，研磨后工件表面的粗糙度值越大。這是因?yàn)槟チ狭皆酱螅心r(shí)磨粒的壓入深度越深，研磨的劃痕也越寬，因此粗糙度值也越大。同時(shí)，相同粒徑的金剛石磨粒引起的表面粗糙度值較大，表面質(zhì)量差。由于金剛石磨頭研磨后工件表面除了線狀磨痕還有一些滾壓形成的凹坑，所以表面粗糙度值偏大。

研磨階段在保證一定表面質(zhì)量的條件下，希望材料去除率越大越好。綜合TC4鈦合金研磨后的表面形貌、材料去除率和表面粗糙度3個(gè)指標(biāo)，研磨選擇粒徑20～30 μm的碳化硅磨料較好，此時(shí)研磨后工件表面凹坑少，劃痕較細(xì)，材料去除率最高、表面粗糙度值較小。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響

正交試驗(yàn)獲得的材料去除率及各因素極差分析如表3所示。從各因素極差分析可知，在試驗(yàn)條件下對(duì)TC4鈦合金工件材料去除率的影響由大到小依次為研磨夾角、磨頭轉(zhuǎn)速、研磨時(shí)間。由于材料去除率越大越好，則優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合方案為A3B3C2，即：磨頭轉(zhuǎn)速2 000 r/min，研磨夾角30°，研磨時(shí)間10 s。

表3 研磨正交試驗(yàn)材料去除率分析

正交試驗(yàn)中各個(gè)因素的水平變化對(duì)TC4鈦合金工件材料去除率的影響趨勢(shì)如圖6所示。從圖6可以看出：隨著磨頭轉(zhuǎn)速的增大，研磨的材料去除率呈明顯上升趨勢(shì)。因?yàn)檗D(zhuǎn)速越大，單位時(shí)間內(nèi)磨粒在工件表面的研磨路徑越長(zhǎng)，因此單位時(shí)間內(nèi)磨粒的劃刻長(zhǎng)度增加，材料去除率增大；隨著研磨夾角的減小，在進(jìn)給量相同的情況下，磨頭與工件的接觸面積增加。由于磨粒在磨頭中的分布是均勻的，因此同一時(shí)間內(nèi)參與研磨的磨粒數(shù)量增加，因此材料去除率增大；隨著研磨時(shí)間的增加，研磨過程中的材料去除率先增加后減小。因?yàn)檠心r(shí)間較小時(shí)，研磨深度較淺，磨頭與工件的接觸面積較小;隨著研磨時(shí)間增加，工件材料逐漸被去除，研磨深度增加，磨頭與工件的接觸面積增大，材料去除率增加。隨著研磨時(shí)間的進(jìn)一步增加，研磨深度變得較大，因研磨進(jìn)給量而產(chǎn)生的研磨壓力逐漸減小，同時(shí)磨粒開始磨損，材料去除率隨之下降。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響

正交試驗(yàn)研磨后獲得的工件表面粗糙度及各因素極差分析如表4所示。由因素極差分析可知：試驗(yàn)條件下對(duì)TC4鈦合金工件研磨后表面粗糙度的影響由大到小依次為磨頭轉(zhuǎn)速、研磨夾角、研磨時(shí)間。由于表面粗糙度值越小越好，則優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合方案為A1B1C3，即：磨頭轉(zhuǎn)速1 000 r/min，研磨夾角60°，研磨時(shí)間15 s。

正交試驗(yàn)中各個(gè)因素的水平變化對(duì)TC4鈦合金工件研磨后表面粗糙度值的影響趨勢(shì)如圖7所示。從圖7可以看出：隨著磨頭轉(zhuǎn)速的增加，研磨后工件表面粗糙度值逐漸增加；增加的速度先慢后快。這與磨頭轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除率的影響趨勢(shì)相近，因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，磨粒對(duì)工件的劃刻作用越明顯，在提高材料去除率的同時(shí)，粗糙度值增加；隨著研磨角度減小，在研磨進(jìn)給量相同的情況下，磨頭與工件間的接觸壓力增加，磨粒劃入工件表面的深度增加，工件表面粗糙度值隨之增加；隨著研磨時(shí)間的增加，研磨后工件表面的粗糙度值逐漸減小。因?yàn)樵谘心ラ_始階段，磨粒比較鋒利，研磨切深較大；隨著研磨時(shí)間的增加，磨粒開始鈍化，磨粒的切深逐漸減小，產(chǎn)生的劃痕逐漸變淺，粗糙度值開始逐漸下降。

表4 單點(diǎn)正交試驗(yàn)的工件表面粗糙度結(jié)果分析

2.4 工藝參數(shù)優(yōu)化分析

以材料去除率及表面粗糙度值為指標(biāo)對(duì)研磨工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過分析獲得如下結(jié)果：

(1)磨頭轉(zhuǎn)速：2個(gè)指標(biāo)的較優(yōu)水平分別為1 000 r/min和2 000 r/min。當(dāng)優(yōu)化水平選擇2 000 r/min時(shí)，材料去除率可以提升100%，表面粗糙度Ra值會(huì)增加24%，即從0.559 μm增加到0.693 μm，對(duì)粗糙度影響較小，所以選擇2 000 r/min為優(yōu)化水平。

(2)研磨夾角：2個(gè)指標(biāo)的較優(yōu)水平分別為30°和60°。當(dāng)優(yōu)化水平為30°時(shí)，材料去除率可以提升214%，表面粗糙度Ra值會(huì)增加12%，此時(shí)可以獲得較高的材料去除率，同時(shí)粗糙度值變化較小，所以30°為優(yōu)化水平。

(3)研磨時(shí)間：對(duì)于2個(gè)指標(biāo)，研磨時(shí)間的影響都很小，較優(yōu)水平分別為10 s和15 s。當(dāng)優(yōu)化水平為10 s時(shí)，材料去除率可以提升63%，表面粗糙度值會(huì)增加3%。此時(shí)材料去除率提升更明顯，粗糙度值的變化很小，所以選擇10 s為優(yōu)化水平。

研磨階段在保證一定表面質(zhì)量的條件下，希望材料去除率越大越好。根據(jù)分析結(jié)果可知優(yōu)化后的參數(shù)組合為：磨頭轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，研磨夾角為30°，研磨時(shí)間為10 s，即正交試驗(yàn)中的9號(hào)試驗(yàn)，此時(shí)，材料去除率最高，且表面質(zhì)量較好，滿足研磨階段的要求。同時(shí)，由于研磨工具為球形磨頭，掌握研磨材料的去除規(guī)律，疊加磨頭的位置移動(dòng)，即可具備研磨復(fù)雜曲面的能力，可為實(shí)現(xiàn)鈦合金復(fù)雜曲面的加工奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

針對(duì)TC4鈦合金難切削、表面易燒傷的問題，提出球形固結(jié)磨料磨頭研磨的加工方法，通過一系列試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1)研磨時(shí)的材料去除率以及工件表面粗糙度Ra值都隨磨料粒徑的增大而增大，采用20～30 μm碳化硅作為球形磨頭磨料，可以獲得最佳的材料去除率以及較好的表面質(zhì)量，此時(shí)材料去除率為6.7 mg/min，表面粗糙度Ra值為0.876 μm。

(2)隨著磨頭轉(zhuǎn)速增大，材料去除率及工件表面粗糙度值增大；隨著研磨夾角增大，材料去除率及工件表面粗糙度值逐漸減??；隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，材料去除率先增大后減小，工件表面粗糙度值逐漸減小。

(3)單點(diǎn)固結(jié)磨料研磨時(shí)優(yōu)化后的參數(shù)組合為：磨頭轉(zhuǎn)速2 000 r/min，研磨夾角30°，研磨時(shí)間10 s，在此工藝參數(shù)下，研磨時(shí)的材料去除率達(dá)到22.2 mg/min，工件表面粗糙度Ra值達(dá)到0.700 μm。