顆粒增強鈦基復(fù)材軸向超聲振動輔助磨削試驗研究*

吳幫福，丁文鋒，曹 洋

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

顆粒增強鈦基復(fù)合材料（PTMCs）是在鈦或鈦合金基體中添加TiC、TiB等增強相顆粒制備而成的金屬基復(fù)合材料。相比于鈦合金而言，PTMCs因具有較高的比強度、比剛度，以及良好的抗蠕變性能和抗疲勞性能等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于軍事、汽車以及航空航天等重要領(lǐng)域[1–3]。雖然鈦合金是公認的難加工材料，但由于材料內(nèi)部增強顆粒的存在，使得PTMCs的機加工難度比鈦合金更大。目前，工具磨損快、加工溫度高、表面質(zhì)量差等已成為PTMCs加工過程面臨的主要問題[4–6]。

超聲磨削是在傳統(tǒng)磨削的基礎(chǔ)上，對工具或工件施加超聲振動，進而實現(xiàn)材料去除的復(fù)合加工方法。由于超聲磨削具有切削力小、切削溫度低、加工表面質(zhì)量好以及刀具壽命長等優(yōu)勢，使其成為解決難加工材料加工難題的有效方法之一[7–8]。Wang等[9]開展了軸向超聲磨削Ti–6Al–4V鈦合金試驗，探究了超聲參數(shù)與磨削力和表面粗糙度之間的匹配關(guān)系，結(jié)果表明，合理的參數(shù)匹配有助于減小磨削力、提高加工表面質(zhì)量。Zheng等[10]對比研究了有無超聲振動對氧化鋯陶瓷磨削過程中溫度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，相較于普通磨削，超聲磨削使材料的磨削溫度降低了10%。Cao等[11]基于自研的超聲振動平臺，進行了切向超聲緩進給磨削Inconel 718合金試驗，研究結(jié)果表明，超聲振動使磨削力降低了11%～15%，表面粗糙度減少了10%，同時減少了加工表面缺陷。Yang等[12]分析了氧化鋯陶瓷超聲磨削過程中砂輪形貌，發(fā)現(xiàn)超聲振動可以減少磨粒的磨損和脫落，進而提高了砂輪的使用壽命。鑒于目前國內(nèi)外將超聲磨削技術(shù)應(yīng)用于加工金屬基復(fù)合材料的研究較少，開展顆粒增強鈦基復(fù)合材料超聲磨削研究工作對解決PTMCs加工難題有重要意義。

本文首先對超聲磨削過程中磨粒的運動軌跡進行分析，以工件施振的方式開展了顆粒增強鈦基復(fù)材的軸向超聲磨削試驗，研究磨削工藝參數(shù)對磨削力、表面粗糙度以及顯微硬度的影響規(guī)律，同時分析磨削表面主要缺陷及其影響因素。

磨粒運動學(xué)分析

如圖1所示，在平面磨削過程中，對工件施加沿砂輪軸向方向的超聲振動，則磨削運動主要包含砂輪的旋轉(zhuǎn)運動、工件的進給運動以及沿著砂輪軸向方向的正弦運動。

建立如圖1所示的三維坐標(biāo)系，以砂輪上的某一顆磨粒為研究對象，則磨粒在普通和超聲磨削條件下的運動軌跡分別由式（1）和式（2）計算得出：

圖1 超聲磨削過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic grinding process

式中，vw為工件的進給速度；vs為砂輪的線速度；R為砂輪的半徑；A為超聲振幅；f為超聲頻率；t為時間。

切削深度為ap時，磨削弧區(qū)內(nèi)磨粒與工件的接觸時間t0可以表示為：

聯(lián)立式（1）～（3），可得普通和超聲磨削過程中單顆磨粒的切削路徑長度lc和lu分別為：

對比式（4）和式（5）可知，由于軸向超聲振動的作用，使得超聲磨削條件下磨粒的切削路徑長度大于普通磨削。

試驗及方法

試驗所用PTMCs材料是利用粉末冶金法制備的10%體積分數(shù)（TiCp+TiBw）/Ti–6Al–4V復(fù)合材料，其中基體為Ti–6Al–4V鈦合金，TiC顆粒為主要增強相，TiB短纖維為次要增強相，增強相的顆粒尺寸為2～10μm，如圖2所示。利用BLOHM profit MT–408高速精密平面磨床上開展磨削試驗，磨削方式為逆磨，砂輪的材質(zhì)為微晶剛玉，其外徑為400mm，工作面寬度為20mm，磨料粒度為80#。由于砂輪尺寸較大，不便于對其施加超聲振動，因此本文采用工件振動的形式進行超聲磨削加工。為實現(xiàn)上述目的，自行研制了超聲磨削平臺，該平臺主要由換能器、變幅桿、振動板和冷卻系統(tǒng)組成。利用螺栓將工件固定在超聲磨削平臺的振動板上，并將該平臺沿機床主軸軸向方向固定在機床工作臺上，即可實現(xiàn)軸向超聲磨削，如圖3所示。

圖2 顆粒增強鈦基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of particle-reinforced titanium matrix composites

圖3 磨削試驗裝置Fig.3 Experimental setup of grinding

在試驗過程中，通過開啟和關(guān)閉超聲波電源，可實現(xiàn)超聲磨削和普通磨削。該超聲磨削平臺的諧振頻率為20.6kHz，利用米銥EU05電渦流位移傳感器測量工件的振幅，通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的功率可使工件的振幅為6μm，并在所有試驗過程中保持不變。為了盡可能地減小試驗測量誤差，磨削加工前均會對砂輪進行修整，保證砂輪初始狀態(tài)的一致性，并且每組試驗參數(shù)測量3次取平均值，詳細試驗條件與參數(shù)如表1和表2所示。

表1 試驗條件Table 1 Test conditions

表2 試驗參數(shù)Table 2 Test parameters

采用Kistler 9253B三向壓電測力儀測量磨削力信號，試驗結(jié)束后使用MAHR M2型粗糙度儀測量加工表面的粗糙度，利用光學(xué)顯微鏡（HIROX KH–7700）和掃描電子顯微鏡（COXEM EM30）觀察工件表面的微觀形貌。

結(jié)果與討論

1 磨削力和比磨削能

磨削力不僅具有易于測量的特點，而且磨削力的變化直接影響加工表面質(zhì)量、磨削熱和砂輪的磨損等，因此磨削力已成為研究磨削過程中的常用物理量。由于平面磨削過程中軸向力可以忽略不計，因此本文重點研究法向磨削力Fn和切向磨削力Ft的變化規(guī)律。試驗完成后，選取3次穩(wěn)定磨削階段力信號的平均值作為文中的磨削力值。

鈦基復(fù)材磨削過程中，材料去除率對法向磨削力和切向磨削力的影響規(guī)律如圖4所示，可以看出，隨著材料去除率的增大，法向磨削力和切向磨削力均逐漸增大，且呈現(xiàn)線性增長的趨勢。

由圖4（a）可知，當(dāng)材料去除率從1mm3/（mm·s）增大到5mm3/（mm·s）時，普通磨削法向磨削力從77.9N增大到210.8N，增幅為170%，超聲磨削條件下的法向磨削力從62.2N增大到173.5N，增幅為179%。同時，隨著材料去除率的增加，超聲磨削法向磨削力始終小于普通磨削法向磨削力，減少幅度范圍為11.7%～20.1%。由圖4（b）可知，切向磨削力的變化規(guī)律與法向磨削力基本一致，但是其增幅較小，普通磨削和超聲磨削的增幅分別為69%和56%，同時，超聲磨削切向磨削力比普通磨削切向磨削力降低了9%～19%。

圖4 材料去除率對磨削力的影響規(guī)律Fig.4 Influence of material removal rate on grinding force

超聲磨削能夠降低磨削力，其主要原因是因為超聲振動改變了磨削過程中單顆磨粒的最大未變形切屑厚度。由文獻[13]可知，最大未變形切屑厚度agmax可以表示為：

式中，Nd是砂輪單位面積內(nèi)的有效磨刃數(shù)；C是與磨粒角度有關(guān)的常數(shù)；de是砂輪的直徑。

單顆磨粒的切削路徑長度l與切深ap和砂輪直徑de存在如下關(guān)系：

聯(lián)立式（6）和式（7），最大未變形切屑厚度agmax又可以表示為：

Liang[14]和Li[15]的研究均表明，超聲振動增強了砂輪的自銳能力，使得超聲磨削砂輪表面有效磨刃數(shù)多于普通磨削。通過對鈦基復(fù)材磨削后砂輪表面的磨粒形貌進行觀測，如圖5所示，普通磨削條件下，磨粒出現(xiàn)了大塊破碎的磨損情況，而超聲磨削條件下，磨粒磨損以小塊破碎為主，與Liang[14]的研究結(jié)果類似，表明軸向超聲振動增強了砂輪的自銳能力。同時超聲條件下單顆磨粒的切削路徑長度大于普通磨削，因此由式（8）可知，超聲振動減小了最大未變形切屑厚度，進而使超聲磨削力小于普通磨削力。

圖5 磨粒磨損形貌Fig.5 Wear morphologies of abrasive grains

比磨削能是去除單位體積材料所消耗的能量，可一定程度上反映砂輪磨削性能的好壞。圖6顯示了材料去除率對比磨削能的影響規(guī)律，可以看出無論是超聲磨削，還是普通磨削，隨著材料去除率的增大，比磨削能均呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)材料去除率為1mm3/（mm·s）時，普通磨削比磨削能為148.1J/mm3，超聲磨削比磨削能為134.6J/mm3；當(dāng)材料去除率增大5倍時，普通磨削和超聲磨削比磨削能分別降低了66%和69%，主要是因為尺寸效應(yīng)的影響[13]。在相同磨削參數(shù)條件下，砂輪磨刃的鋒利性越好，比磨削能越小。隨著材料去除率的增大，超聲磨削比磨削能始終小于普通磨削，主要是因為超聲振動增強了砂輪的自銳性，使得超聲振動條件下砂輪磨刃鋒利性優(yōu)于普通磨削，進而使超聲磨削比磨削能較小。

圖6 材料去除率對比磨削能的影響規(guī)律Fig.6 Influence of material removal rate on specific grinding energy

2 加工表面粗糙度、顯微硬度和表面微觀形貌

圖7對比了普通和超聲兩種磨削條件下材料去除率對加工表面粗糙度的影響規(guī)律。由此可知，隨著材料去除率的增大，鈦基復(fù)材普通磨削和超聲磨削加工表面粗糙度值均逐漸增大。當(dāng)材料去除率小于1.5mm3/（mm·s）時，普通磨削和超聲磨削表面粗糙度Ra均在0.46μm左右，且變化幅度較?。划?dāng)材料去除率從1.5mm3/（mm·s）增大到2.5mm3/（mm ·s），表面粗糙度值迅速增大，普通磨削表面粗糙度從0.48μm增加到0.816μm，增幅為70%；超聲磨削條件下表面粗糙度Ra從0.44μm增加到0.781μm，增幅為77%；當(dāng)材料去除率大于2.5mm3/（mm·s）時，普通磨削和超聲磨削表面粗糙度Ra保持在0.8μm左右，且呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢。上述變化規(guī)律主要是與砂輪的磨損狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)材料去除率較小時，砂輪處于初期磨損狀態(tài)，砂輪磨粒切削刃較為鋒利，因而表面粗糙度較小；隨著材料去除率的增大，砂輪進入正常磨損階段，磨粒不斷脫落和磨損，因而使得加工表面粗糙度值逐漸增大；當(dāng)砂輪處于劇烈磨損階段時，磨粒的切削能力變?nèi)?，進而導(dǎo)致表面粗糙度值較大。此外，隨著材料去除率的增大，超聲磨削表面粗糙度小于普通磨削，主要是由于兩方面的原因：一方面，超聲振動增強了砂輪的自銳性能，參與切削的磨削刃較多；另一方面，如圖8所示，由于軸向超聲振動的作用，磨粒之間的運動軌跡相互交疊，進而使得材料殘留在加工表面的高度降低。

圖7 材料去除率對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.7 Influence of material removal rate on surface roughness

圖8 普通磨削和超聲磨削表面形成示意圖Fig.8 Schematic diagram of surface formation during conventional grinding and ultrasonic grinding

普通磨削和超聲磨削條件下，鈦基復(fù)材磨削加工表面顯微硬度隨材料去除率的變化規(guī)律如圖9所示。隨著材料去除率的增大，加工表面顯微硬度整體上呈現(xiàn)增加–減小–增加的變化趨勢，將其變化趨勢分為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ。區(qū)域Ⅰ內(nèi)，當(dāng)材料去除率從1mm3/（mm·s） 增加到2mm3/（mm·s）時，普通磨削表面的顯微硬度從48.1HRC增大到58.3HRC，超聲磨削表面的顯微硬度從45.7HRC增大到55.1HRC。顯微硬度逐漸增大是由于在此范圍內(nèi)，砂輪線速度和進給速度恒定，隨著磨削深度的增加，單顆磨粒未變形切屑厚度和磨削力也隨著之增大，使表層金屬塑性變形增大，表層冷作硬化作用加強，同時這也是區(qū)域Ⅱ中顯微硬度增加的主要原因。

圖9 材料去除率對顯微硬度的影響規(guī)律Fig.9 Influence of material removal rate on microhardness

同時對比發(fā)現(xiàn)，隨著材料去除率的增加，磨削力逐漸增大（圖4），加工表面顯微硬度應(yīng)增大，但是區(qū)域Ⅱ中的顯微硬度反而低于區(qū)域Ⅰ中的顯微硬度，造成這種現(xiàn)象的原因是由于在區(qū)域Ⅰ對應(yīng)的材料去除率條件下，較高的磨削溫度導(dǎo)致材料加工表面發(fā)生了磨削燒傷，如圖10所示。同時由于冷卻液的冷卻作用，使得材料加工表面經(jīng)歷了多次淬火過程，因而加工表面硬度較高。根據(jù)磨削燒傷顏色判別法[16]，對比圖10中兩種磨削條件下的表面燒傷顏色，普通磨削表面的燒傷顏色主要是淡黃色、褐色、紫色，而超聲磨削表面的顏色主要呈現(xiàn)淡黃色和褐色，因此可表明超聲磨削降低了磨削加工表面溫度。此外，隨著材料去除率的增加，超聲磨削表面顯微硬度低于普通磨削，主要是由于超聲振動降低了磨削力和磨削熱的綜合結(jié)果。

利用掃描電子顯微鏡進一步對燒傷表面微觀形貌（圖10）進行觀測，結(jié)果如圖11所示，普通磨削和超聲磨削加工表面均出現(xiàn)了涂覆、溝槽以及裂紋等缺陷，其中裂紋在加工表面呈不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，且裂紋的方向大體上垂直于磨削方向。溝槽的形成主要是由于磨粒的滑擦和耕犁，使得材料向兩邊堆積隆起，進而磨粒后方留下了由淺到深的劃痕。除此之外，由于砂輪的擠壓作用，脫落的磨粒和增強相顆粒在加工表面滑擦和滾動，也會形成溝槽缺陷[17]。在磨削力作用下，鈦合金基體會發(fā)生塑性流動，而較高的磨削溫度使得材料的塑性流動作用增強，在后續(xù)磨粒的擠壓作用下，未成屑的部分材料粘附在加工表面，從而形成了涂覆缺陷。磨削裂紋主要是由于工件表面在經(jīng)歷迅速升溫、迅速冷卻的過程后，加工表面殘余應(yīng)力升高，當(dāng)殘余應(yīng)力超過了材料的強度極限時，使得材料發(fā)生局部斷裂造成的。同時通過對比發(fā)現(xiàn)，超聲磨削表面的裂紋數(shù)量和尺寸明顯小于普通磨削，表明超聲磨削具有改善加工表面缺陷的效果。

圖10 材料去除率為2mm3/（mm·s）條件下加工表面磨削燒傷Fig.10 Grinding burns of machined surface with material removal rate of 2mm3/（mm·s）

圖11 加工表面微觀形貌Fig.11 Micro morphology of machined surface

結(jié)論

（1）與普通磨削相比，超聲磨削可以有效地降低磨削過程中的磨削力和比磨削能，其中，法向磨削力降低了11.7%～20.1%，切向磨削力降低了9%～19%，磨削力降低的原因是由于超聲振動減小了材料的最大未變形切屑厚度。

（2）隨著材料去除率的增大，加工表面粗糙度值逐漸增大，其變化趨勢與砂輪的磨損狀態(tài)有關(guān)。超聲磨削降低加工表面粗糙度，一方面是與超聲振動增強了砂輪的自銳性能有關(guān)；另一方面是由于磨粒運動軌跡相互交疊，降低了加工表面材料的殘留高度。

（3）部分試驗參數(shù)下，磨削表面發(fā)生了磨削燒傷，燒傷表面的顯微硬度明顯高于未燒傷表面，且燒傷表面有較多的裂紋缺陷。超聲磨削在一定程度上不僅抑制了磨削燒傷、降低了加工表面顯微硬度，還改善了加工表面裂紋缺陷，是由于超聲振動降低了磨削力和磨削熱綜合作用的結(jié)果。