基于單顆粒模型的航發(fā)葉片砂帶磨削微觀仿生鋸齒狀表面形成及實(shí)驗(yàn)

肖貴堅(jiān)，賀毅，黃云，李偉，李泉

重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

由鯊魚(yú)皮衍生出來(lái)的仿生表面結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤(pán)等轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件表面的形成對(duì)于提高其減阻、降噪、抗疲勞等服役性能具有重要的影響；同時(shí)鈦合金材料具有比重小、比強(qiáng)度高、韌性高、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，作為輕質(zhì)材料被廣泛應(yīng)用于上述轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，其加工后的型面精度和表面紋路、粗糙度、顯微硬度、殘余應(yīng)力、亞表層組織等表面完整性特征對(duì)上述鈦合金轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的疲勞壽命、氣流動(dòng)力性和使用性能影響巨大，因此研究鈦合金仿生表面的加工方法具有重要意義。

由于葉片具有復(fù)雜的型面和較弱的剛度，因此主要通過(guò)砂帶磨削等精密加工方法來(lái)保證葉片的最后精度。但對(duì)于砂帶磨削仿生表面的形成與砂帶單顆粒模型和砂帶多顆粒磨削方法的關(guān)系,目前尚未揭示，因而提出基于單顆粒模型的航發(fā)葉片砂帶磨削微觀仿生鋸齒狀表面形成方法及試驗(yàn)。

對(duì)于鯊魚(yú)皮仿生表面的加工可分為兩種[2]，一種是直接復(fù)刻鯊魚(yú)皮的表面盾鱗結(jié)構(gòu)，另一種是基于鯊魚(yú)皮表面結(jié)構(gòu)衍生出來(lái)的設(shè)計(jì)制備的溝槽。對(duì)于后一種方法，針對(duì)溝槽結(jié)構(gòu)具有代表性的加工方法有磨削加工技術(shù)。Xie[3-4]等利用金剛石砂輪在單晶硅上干磨出微溝槽，并且發(fā)現(xiàn)微溝槽的形狀與砂輪上的金剛石磨粒狀參數(shù)有關(guān)，如金剛石磨粒的前角，磨粒尖端的半徑的大小等。Denkena等[5]提出了磨削輪溝槽結(jié)構(gòu)加工方法，即多輪廓磨削法。該方法在制備磨削輪的效率和工藝穩(wěn)定性上具有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)這種工藝能夠很有效率地加工溝槽結(jié)構(gòu)，但磨削法成形的溝槽結(jié)構(gòu)較為粗糙，容易形成毛刺。Brinksmeier和Sch?nemann[6]采用金剛石微鑿切加工出了不連續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)，如微型立方體和V型溝槽；研究發(fā)現(xiàn)，可加工顯微結(jié)構(gòu)的尺寸主要受加工相關(guān)形狀偏差的限制，增加結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)表面光潔度沒(méi)有明顯的影響；然而，大尺寸結(jié)構(gòu)的加工會(huì)導(dǎo)致切削力的線(xiàn)性增加。

針對(duì)航發(fā)鈦合金葉片等零部件的表面精密磨削加工，國(guó)內(nèi)外采用了磨料流[7-8]、砂帶磨削以及手工拋光等方法，對(duì)于提升葉片表面完整性具有一定的作用。砂帶磨削兼具磨削和拋光的雙重作用，其工藝靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)，且其柔性磨削的特性在型面平滑過(guò)渡方面具有獨(dú)特的擬合效果[9]。鑒于上述特性，目前砂帶磨削技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航發(fā)葉片的精密磨削中，成為提高其表面完整性的有效加工技術(shù)之一[10]。Eckart和Florian[11-12]以及Xu等[13]采用了機(jī)器人輔助砂帶磨削的方法進(jìn)行了渦輪葉片精密加工，并通過(guò)力控的方法實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自適應(yīng)從而提高了加工效率、加工精度和葉片表面質(zhì)量。張雷等[14]對(duì)航發(fā)葉片雙曲面砂帶磨削工藝、恒力磨削方法等進(jìn)行了研究，提出了葉片雙曲面砂帶磨削力的精確控制方法。肖貴堅(jiān)等[15]提出了一種面向型面精度一致性的砂帶磨削新方法,一方面通過(guò)砂帶周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)合自銳式磨削原理,實(shí)現(xiàn)型面銑削殘差層的高效去除;另一方面通過(guò)砂帶周期性的自動(dòng)更新,保證各葉片的型面精度在同一截面具有高一致性。闡述并建立了面向型面精度一致性的砂帶磨削新方法及其磨削控制方程。Xiao和Huang[16]對(duì)航發(fā)葉片邊緣當(dāng)量自適應(yīng)砂帶磨削方法進(jìn)行了研究，對(duì)砂帶磨削后的表面粗糙度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在砂帶磨削后表面粗糙度≤0.25 μm，且表面呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)；藺小軍等[17]采用柔性?huà)伖饧夹g(shù)和控制拋光軸矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)砂帶與葉片型面的有效貼合，砂帶磨削技術(shù)的發(fā)展極大地提高了葉片表面加工的質(zhì)量。

由上述分析可以看出，對(duì)于鯊魚(yú)皮仿生表面的加工，大多采用砂輪磨削的方式，國(guó)內(nèi)外缺少砂帶磨削仿生表面的形成和對(duì)葉片、整體葉盤(pán)等零件仿生表面加工的研究。本文將針對(duì)葉片鯊魚(yú)皮仿生表面進(jìn)行研究，首先，分析了微觀仿生鋸齒狀表面典型結(jié)構(gòu)特征，基于單顆粒砂帶磨削模型，研究了單顆粒砂帶磨削去除機(jī)理；然后，建立了砂帶磨削多顆粒參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，提出微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削方法；最后，以鈦合金葉片型面為對(duì)象，搭建以鈦合金為典型材料的微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行微觀仿生鋸齒狀表面的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 微觀仿生鋸齒狀表面磨削機(jī)理

1.1 單顆粒數(shù)學(xué)模型及其磨削特征分析

圖1中各種溝槽形狀的最佳幾何形狀對(duì)比數(shù)據(jù)主要來(lái)源于Bechert等[18]的研究，其中h為溝槽高度、s為溝槽寬度、α為溝槽的夾角、w為溝槽尖端平面寬度。對(duì)于鋸齒狀溝槽結(jié)構(gòu)而言，最大減阻量可達(dá)5%左右，是耐用度最佳的結(jié)構(gòu)之一，最佳幾何參數(shù)為：h/s=1，α=60°；對(duì)于刀刃狀溝槽結(jié)構(gòu)而言，最大減阻量可達(dá)9.9%左右，是減阻量最優(yōu)的結(jié)構(gòu)之一，且減阻量的大小隨著溝槽厚度的增加而減小，耐用度不佳，最佳幾何參數(shù)為：h/s=0.5。

圖1 鯊魚(yú)皮衍生微觀仿生表面參數(shù)化3D模型[18]Fig.1 Parametric 3D model of micro-shark skin inspired structures bionic surface [18]

刀片型結(jié)構(gòu)具有最佳減阻效果但容易失穩(wěn)，在實(shí)際中鋸齒結(jié)構(gòu)因其具有幾何穩(wěn)定性而被廣泛采用，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖2所示[19]，其中α1為溝槽底角，α2為鋸齒溝槽頂角，v為流體線(xiàn)速度，b1、b2為承載邊受力長(zhǎng)度，A、B、C為其中一個(gè)鋸齒狀三角形的3個(gè)頂點(diǎn)。類(lèi)似于鯊魚(yú)皮表面溝壑結(jié)構(gòu)，承載面是試件在流體中直接接觸并且承受力的一面，其二維截面正視圖中對(duì)應(yīng)的邊為承載邊，承載邊的大小直接決定了承載面面積的大小，當(dāng)流體中承載面的受力不變的情況下，增大承載邊的長(zhǎng)度可以增加承載面的面積，從而可以減輕承載面所受的壓強(qiáng)，相應(yīng)的可以減少微觀鋸齒狀仿生表面的阻力。

如圖2所示，在ΔABC中，由三角形余弦定理以及面積公式可以得到b1、b2與s、h、α1之間的關(guān)系式為

圖2 微觀仿生鋸齒狀表面示意圖[19]Fig.2 Schematic diagram of micro bionic zigzag surface[19]

化簡(jiǎn)可得

可得承載邊長(zhǎng)度b1、b2由s、h、α1表達(dá)的關(guān)系式為

通過(guò)調(diào)整參數(shù)s、h、α1的大小，可以對(duì)承載邊b1、b2進(jìn)行控制，從而對(duì)微觀鋸齒狀仿生表面的減阻等性能進(jìn)行調(diào)控。

要實(shí)現(xiàn)上述特征表面的磨削，需要進(jìn)一步探究單顆粒磨削的表面形成過(guò)程，在此基礎(chǔ)上來(lái)研究微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削的方法。在砂帶磨削材料去除原理研究中，重慶大學(xué)黃云等在《現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用》一書(shū)中研究了單顆磨粒切刃切除材料的原理模型，分析了單顆磨粒切刃切除材料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的材料去除機(jī)理，如圖3 所示，其中Ft為單顆磨粒切向力，F(xiàn)n為單顆磨粒法向接觸壓力，2θ為磨粒錐頂角，Bm為與磨粒進(jìn)給垂直方向最大寬度，Hm為磨痕斷面最大谷底高度。

圖3 砂帶磨削單顆粒模型Fig.3 Single particle model for belt grinding

磨粒切刃在材料表面的平均最大磨痕斷面面積為

(1)

磨痕斷面最大谷底高度為

(2)

又因?yàn)?/p>

(3)

將式(3)代入式(2)推出Hm與Bm的關(guān)系：

(4)

式中：HV為材料的維氏硬度；k為磨粒與工件相互作用影響因子，通常取1.08；Ai為磨粒端部小平面面積；m為接觸區(qū)切刃密度。

從式(2)可以看出，磨痕斷面最大谷底高度Hm同F(xiàn)n、m、HV有關(guān)。當(dāng)被加工材料確定后，材料所對(duì)應(yīng)的維氏硬度為一定值，Hm、Fn和m呈冪函數(shù)分布，F(xiàn)n越大、m越小，得到的Hm也越大。從式(4)可以看出，最大谷底高度Hm和最大寬度Bm之間存在線(xiàn)性關(guān)系。

單顆粒砂帶磨削材料去除機(jī)理已經(jīng)充分地證明了砂帶磨削可以有效的控制Hm和Bm，因此，采用砂帶磨削達(dá)到了形成理想微觀仿生鋸齒狀表面的條件。在試驗(yàn)中為了控制Hm和Bm的大小，形成微觀仿生鋸齒狀表面，可以通過(guò)改變Fn、m、vp等工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)m與P呈反比例關(guān)系，故可以用P表示m。

1.2 砂帶磨削多顆粒磨削去除模型

圖4中取磨削平面中垂直于磨具系統(tǒng)軸線(xiàn)的橫剖面圖進(jìn)行分析，砂帶以線(xiàn)速度vs繞著直徑為d0的接觸輪中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，工件以線(xiàn)速度vp沿x軸方向做勻速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)時(shí)間t時(shí)，磨具系統(tǒng)中砂帶由A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到B點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)了β角，工件由C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，此時(shí)在多顆粒共同作用下完成從接觸工件到切削的整個(gè)過(guò)程，圖中區(qū)域ABCD就是多顆磨粒共同作用去除的部分材料。

圖4 砂帶磨削多顆粒切削運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of belt grinding movement of multi particles

(5)

由于磨削過(guò)程為微量切削，且切削時(shí)間t較小，故而將ΔBCD近似看成一個(gè)以角∠CDB為直角的直角三角形，由幾何知識(shí)可得

BD=BCsinβ

又因?yàn)樵谥苯侨切桅BE中，根據(jù)幾何知識(shí)可得

cosβ=OE/OB=(d0/2-Hm)/(d0/2)=(d0-2Hm)/d0

由此，可以推出:

(6)

正如前文研究中的假設(shè)，在研究分析過(guò)程中忽略砂帶的單顆粒磨損的影響，故由式(4)可得砂帶中的單顆粒磨削溝槽最大深度為

(7)

將式(7)代入式(6)可得砂帶中單顆磨粒的最大切削深度為

(8)

式中:Kc為單顆粒切削深度系數(shù)，由此可以看出，在砂帶磨削磨具系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，砂帶磨削中的hc與vp和Fn成正比，與vs成反比。其表達(dá)式為

(9)

從式(9)可以看出，砂帶中的單顆粒切削深度系數(shù)Kc與m、θ、k、bc、HV等有關(guān)。

為了研究砂帶磨削參數(shù)化數(shù)學(xué)模型,將hc作為微觀仿生鋸齒狀表面的深度h；將Bm作為微觀仿生鋸齒狀表面的寬度s；將2θ近似為微觀仿生鋸齒狀表面的夾角α1；從而得到微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削參數(shù)化計(jì)算公式為

(10)

從單顆粒磨削參數(shù)化數(shù)學(xué)模型中可以看出，砂帶磨削形成微觀仿生鋸齒狀表面溝槽的高度與工件進(jìn)給速度、砂帶旋轉(zhuǎn)速度、磨削正壓力以及磨具系統(tǒng)的固有參數(shù)等有關(guān)，微觀仿生鋸齒狀溝槽的寬度與磨削正壓力以及磨具系統(tǒng)的固有參數(shù)有關(guān)，其夾角主要與砂帶磨粒的形狀有關(guān)。

2 微觀仿生鋸齒狀表面磨削規(guī)劃及其實(shí)驗(yàn)

2.1 葉片微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削方法

為實(shí)現(xiàn)微觀仿生鋸齒狀表面的磨削，設(shè)計(jì)了如圖5所示的砂帶磨削運(yùn)動(dòng)方案。數(shù)控磨床通過(guò)接觸桿控制接觸輪并使之緊貼砂帶與工件表面接觸而產(chǎn)生力Fn，同時(shí)磨床主軸帶動(dòng)砂帶的高速旋轉(zhuǎn)而與工件表面產(chǎn)生力Ft，在力Fn與力Ft共同作用下實(shí)現(xiàn)砂帶的磨削過(guò)程。

其磨削運(yùn)動(dòng)形式主要是接觸桿帶動(dòng)磨頭以恒定進(jìn)給速度vp、進(jìn)給步距P在試件表面沿著Y軸方向做周期為T(mén)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離為試件長(zhǎng)度L，與此同時(shí)砂帶主軸以線(xiàn)速度vs旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)接觸桿對(duì)試件表面施加恒定接觸力F，保證砂帶可以與試件表面有效的貼合，從而進(jìn)行材料有效地去除。通過(guò)施加在接觸桿/輪上的力F帶動(dòng)砂帶沖擊式的磨削運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砂帶微切削快速累積運(yùn)動(dòng)，既快速去除余量又能保證粗糙度，使銑削殘差層得以高效的去除，同時(shí)在表面形成微觀仿生鋸齒狀。

如圖5所示，試件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受接觸桿作用，由式(10)可以得出，微觀仿生鋸齒狀溝槽的高度h同力Fn呈冪函數(shù)分布。為計(jì)算方便，本試驗(yàn)選擇了φ=90°(即，砂帶和接觸桿/輪垂直方向施加力于試件表面)進(jìn)行后續(xù)砂帶磨削試驗(yàn)。

圖5 微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削方法Fig.5 Micro bionic zigzag surface using belt grinding method

在砂帶磨削過(guò)程中，磨頭進(jìn)給循環(huán)周期T由3部分時(shí)間組成：① 磨頭在試件長(zhǎng)度方向來(lái)回直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)間；② 磨頭抬起落下的緩沖時(shí)間；③ 試件進(jìn)給步距P的時(shí)間，故T可計(jì)算得：

(11)

式中：L為試件長(zhǎng)度；h1為磨頭抬離工件表面高度；v步為機(jī)床步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給線(xiàn)速度。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及其方法

選用某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)鈦合金葉片進(jìn)行微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)采用由重慶三磨海達(dá)磨床有限公司和重慶大學(xué)共同研制的七軸六聯(lián)動(dòng)自適應(yīng)數(shù)控砂帶磨床作為加工磨床，磨床具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 MGY5540A-7NC 數(shù)控砂帶磨床Fig.6 MGY5540A-7NC CNC belt grinding machine

由于砂帶磨削過(guò)程中接觸輪本身具有的弱剛性及磨床U軸在Z軸方向上具有一定范圍內(nèi)的彈性運(yùn)動(dòng)，使得該磨床在對(duì)葉片等復(fù)雜曲面加工過(guò)程中具有一定的“柔性”特征。該砂帶磨床的核心是具有補(bǔ)償功能的數(shù)控砂帶磨具系統(tǒng)，該磨具系統(tǒng)主要由砂帶、接觸輪、接觸桿等組成。磨具系統(tǒng)與葉片的接觸為浮動(dòng)接觸，磨頭的微小位移不會(huì)給葉片帶來(lái)大幅度磨削壓力的改變。該數(shù)控砂帶磨床不僅可以使砂帶和葉片進(jìn)行有效的貼合，而且還可以最大程度地避免磨削過(guò)程中過(guò)切和過(guò)磨現(xiàn)象的產(chǎn)生。

本文對(duì)單顆粒模型磨削參數(shù)的分析驗(yàn)證了微觀仿生鋸齒狀表面磨削的可行性；然后通過(guò)單顆粒模型計(jì)算了實(shí)際多顆粒砂帶理論上磨削的可行性和推導(dǎo)了微觀仿生鋸齒狀表面參數(shù)的理論計(jì)算公式；最后進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，檢測(cè)所加工出來(lái)的微觀仿生鋸齒狀表面參數(shù)，與理論計(jì)算出來(lái)的溝槽寬度s、溝槽高度h和實(shí)際的磨粒夾角α1進(jìn)行分析驗(yàn)證，具體如圖7所示。

圖7 研究思路流程Fig.7 Chart of research idea

圖8為砂帶磨削微觀仿生鋸齒狀表面示意圖。結(jié)合實(shí)際的航發(fā)鈦合金葉片表面粗糙度要求[1]，擬加工表面參數(shù)選定為s=5～10 μm，h=5～10 μm和α1=60°[20]。由此可以推出砂帶磨粒大小應(yīng)在50～100 μm之間，根據(jù)廠商粒度型號(hào)的分類(lèi)，選用粒度號(hào)為 P240 的磨粒(其磨粒大小為60 μm)。使用 3M 陶瓷氧化鋁 XK870F 粒度號(hào)為 P240 和金字塔 237AA 粒度號(hào)為 P240 的砂帶，并采用表1的工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。砂帶磨削素有“冷態(tài)磨削”之稱(chēng)，故本次實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鳁l件為干磨。

圖8 砂帶磨削微觀仿生鋸齒狀表面示意圖Fig.8 Schematic diagram of micro bionic zigzag surface using belt grinding

表1 葉片砂帶磨削工藝參數(shù)Table 1 Belt grinding process parameters for blade

3 葉片微觀仿生鋸齒狀表面磨削分析

為了更直觀有效地反映砂帶磨削后的微觀仿生鋸齒狀表面結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用掃描電子顯微鏡 SEM 和形狀測(cè)量激光顯微鏡 VKL-X1000 分別拍攝試件表面的二維和三維形貌，同時(shí)，結(jié)合三維模型重構(gòu)理論中的曲面擬合方法對(duì)試件拍攝后的微觀仿生鋸齒狀三維形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，來(lái)分析表面形貌的參數(shù)。

二維形貌是對(duì)試件表面分布狀態(tài)以及形態(tài)的一種直觀性表達(dá)，可以通過(guò)掃描電子顯微鏡拍攝圖片后進(jìn)行觀察。對(duì)陶瓷氧化鋁砂帶磨削后的表面進(jìn)行后期的分析處理，得到砂帶磨削后微觀仿生鋸齒狀表面 SEM 二維形貌，如圖9所示。從圖9中可以直觀地看出表面結(jié)構(gòu)分布較均勻，鋸齒形溝槽結(jié)構(gòu)，且測(cè)得圖形中溝槽寬度在5.5 μm左右。

圖9 磨削后微觀仿生鋸齒狀SEM二維形貌表面Fig.9 SEM of two-dimensional morphology of micro bionic zigzag surface after belt grinding

三維形貌是對(duì)試件表面微觀仿生鋸齒狀結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)以及形態(tài)的一種直觀性表達(dá)，可以通過(guò)形狀測(cè)量激光顯微鏡 VKL-X1000 拍攝圖片后進(jìn)行觀察。分別對(duì)試件磨削前后的表面三維形貌圖進(jìn)行后期的分析處理，結(jié)果如圖10和圖11所示，對(duì)比試件磨削前后三維形貌表面，可以看出磨削之后的表面減少了表面凸凹不平和表面燒傷等缺陷，表面質(zhì)量得到了提高。

圖10 砂帶磨削前表面微觀三維圖Fig.10 Three-dimensional morphology surface before belt grinding

將圖11中用序號(hào)標(biāo)出的溝槽進(jìn)行參數(shù)測(cè)量分析對(duì)比，用1.2節(jié)中式(10)算出的理論微觀仿生鋸齒狀表面溝槽寬度s、溝槽高度h和實(shí)際的磨粒夾角α1與實(shí)際測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到圖12。

圖11 砂帶磨削后微觀仿生鋸齒狀表面三維圖Fig.11 Three dimensional morphology of micro bionic zigzag surface after belt grinding

由圖12(a)和圖12(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的溝槽寬度s和溝槽高度h都明顯小于理論值，這是由于葉片的弱剛性和接觸輪的彈性所造成的。在磨削過(guò)程中，葉片由于受磨削力的影響，在磨削時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲變形，接觸輪在接觸葉片磨削的區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，使得實(shí)際磨粒磨削的去除材料深度比理論的小，從而磨削所產(chǎn)生的表面尺寸實(shí)際值比理論值??；并且在磨削過(guò)程中存在著磨粒的磨損現(xiàn)象，使得磨粒變小，進(jìn)一步影響了實(shí)際磨削產(chǎn)生的微觀仿生鋸齒狀表面尺寸。磨粒的磨損主要是由于磨粒的切削刃被磨平或者斷裂，使得h與理論值的差距比s與理論值的差距大。由圖12(a)和圖12(b)還可以看出，金字塔砂帶磨削出來(lái)的溝槽寬度s和溝槽高度h總體上比陶瓷氧化鋁小，這是由于金字塔砂帶有著獨(dú)特的金字塔結(jié)構(gòu)，氧化鋁/碳化硅礦砂，樹(shù)脂膠，表面加有助磨劑，使得金字砂帶的磨粒磨損比陶瓷氧化鋁砂帶小，實(shí)際磨削效果更好。

圖12 兩種砂帶磨削表面參數(shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of surface processed by two kinds of belt grinding parameters

對(duì)于溝槽夾角α1，由于在砂帶磨削過(guò)程中的磨粒磨損和磨粒大小的不均勻性，使得溝槽夾角有明顯的波動(dòng)，且陶瓷氧化鋁相對(duì)于理論值的波動(dòng)性更大。明顯的用金字塔砂帶磨削出來(lái)的微觀仿生鋸齒狀表面溝槽夾角α1更小而且溝槽寬度、高度和夾角一致性更好，磨削表面線(xiàn)路更細(xì)致均勻，如圖13所示，這是由于金字塔砂帶的磨粒分布和大小更均勻，說(shuō)明了微觀仿生鋸齒狀表面的參數(shù)與砂帶磨粒分布和大小有相關(guān)性。

圖13 兩種砂帶形貌示意圖Fig.13 Schematic diagram of morphology of two kinds of belts

砂帶磨削后的微觀仿生鋸齒狀表面主要以鋸齒形溝槽為主，其中溝槽的寬度在2.5 ～8 μm之間，平均值為4.91 μm；溝槽的高度在3.5～9 μm之間，平均值為5.91 μm；溝槽的夾角在28°～68°之間，平均值為42.3°。

4 結(jié) 論

1) 對(duì)微觀仿生表面典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了將鋸齒形溝槽結(jié)構(gòu)作為葉片的微觀仿生鋸齒狀表面。通過(guò)對(duì)單顆粒的砂帶磨削去除機(jī)理的研究，建立了砂帶磨削多顆粒參數(shù)化數(shù)學(xué)模型。最后，搭建了以鈦合金為典型材料的微觀仿生鋸齒狀表面砂帶磨削基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2) 通過(guò)砂帶磨削方法實(shí)現(xiàn)了微觀仿生鋸齒狀表面的形成；砂帶磨削后的葉片表面減少了凸凹不平和燒傷等缺陷，表面質(zhì)量得到了提高；砂帶表面磨粒分布情況能影響微觀仿生鋸齒狀表面溝槽形成的大小和均勻性。對(duì)砂帶磨削后的葉片表面進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明通過(guò)砂帶磨削方法實(shí)現(xiàn)的微觀仿生鋸齒狀表面以鋸齒形溝槽為主。