淺談鈦合金材料特性及其磨削特點(diǎn)

楊 蒙

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 陜西 西安 710000）

0 引言

鈦金屬在地殼中比較豐富，儲量超過銅、鋅等常見金屬。鈦合金則是鈦和其他金屬混合制成的合金材料，具有較高的強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性[1]?；谶@些優(yōu)良特性，鈦合金的應(yīng)用市場廣闊，主要集中在航空航天、生物化學(xué)等領(lǐng)域。本文結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，探討了鈦合金材料特性和磨削工藝。

1 鈦合金材料的特性

1.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）比強(qiáng)度大。和鋼材相比，鈦合金材料的強(qiáng)度相當(dāng)，但密度只有鋼材的60%左右，約為4.5 g/cm3；彈性模量遠(yuǎn)低于鋼材，在1.078×105～1.176×105MPa[2-3]。也就是說，鈦合金材料的強(qiáng)度和鋼材類似，但自重小、彈性好，方便運(yùn)輸?shù)跹b和加工制造。得益于這一特性，可制造出剛性好、質(zhì)量輕的零部件，例如發(fā)動機(jī)構(gòu)件、飛機(jī)骨架、起落架、緊固件等。

（2）熱強(qiáng)度高。鈦元素的熔點(diǎn)為1 725 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為15.24 W/（m·K），中等溫度下依然能保持良好的強(qiáng)度。和鋁合金相比，環(huán)境溫度達(dá)到150 ℃強(qiáng)度明顯降低，而鈦合金在450～500 ℃的環(huán)境下，依然能達(dá)到一定強(qiáng)度要求。

（3）耐腐蝕性強(qiáng)。鈦合金材料中的化學(xué)成分，和空氣中的氮?dú)?、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會在材料表面生成保護(hù)層，從而提高抗腐蝕性能[4]。針對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕，具有較強(qiáng)的抵抗力；針對強(qiáng)酸和有機(jī)物品，抗腐蝕性良好。

1.2 缺點(diǎn)

（1）高溫加工性能差，當(dāng)環(huán)境溫度超過一定限度，此時(shí)鈦合金材料的抗蠕變性變差，繼而表現(xiàn)出脆性，不利于材料加工。

（2）冷壓加工困難，因?yàn)殁伜辖鸩牧系膹椥阅Ａ啃?，冷壓加工會出現(xiàn)較大的回彈現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生震動導(dǎo)致無法成形。

（3）切削難度大，因?qū)嵝阅茌^差，切削時(shí)不利于散熱，切削時(shí)因溫度升高可能粘附在切削工具上，不僅影響切削質(zhì)量，還會損傷工具[5]。

（4）精煉、熔融和鑄造技術(shù)與傳統(tǒng)的合金不同，導(dǎo)致鈦合金價(jià)格昂貴，當(dāng)前在民生用品領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2 鈦合金材料磨削的特點(diǎn)、注意事項(xiàng)和工藝優(yōu)化

2.1 磨削特點(diǎn)

基于鈦合金材料的特性，磨削時(shí)具有以下5大特點(diǎn)。

（1）變形系數(shù)小。對鈦合金材料磨削時(shí)，變形系數(shù)≤1，由于磨削路程增加，刀具磨損的速度加快。

（2）磨削溫度高。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，只有45號鋼的1/7～1/5，磨削過程中產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散發(fā)，熱量累積在材料本身，尤其是磨削區(qū)，超過承受的溫度范圍就會燒傷工件，合金材料本身也出現(xiàn)損壞。

（3）單位面積切削力大。切削時(shí)，鈦合金材料和前刀面的接觸較短，單位面積上的切削力大，可能出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象[6]。另外，鈦合金的彈性模量小，雖然整個(gè)磨削時(shí)間不長，但高溫作用明顯，溫度可達(dá)到1 000 ℃以上，造成鈦合金變形、彈性振動，影響加工精度。

（4）存在冷硬現(xiàn)象。鈦元素的化學(xué)活性強(qiáng)，磨削產(chǎn)生的高溫環(huán)境下，鈦合金材料表皮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不僅合金彈性降低，而且表面硬化，加工過程更加復(fù)雜，會降低零件的抗疲勞強(qiáng)度。

（5）刀具易粘接磨損。砂輪和鈦合金材料在接觸過程中，摩擦引起高溫，會導(dǎo)致鈦合金發(fā)生變形，粘附在砂輪上或磨粒脫落，造成砂輪損壞。磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量，容易燒傷工件，刀具的更換頻率提高[7]。

以綠碳化硅砂輪磨削鈦合金為例，碳化硅會和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：SiC+O2→SiO2+C-768 696.48J。反應(yīng)速度快，會釋放大量能量，不僅導(dǎo)致砂輪表面的材料腐蝕、剝落，還可能造成零件表面燒傷。

2.2 注意事項(xiàng)

考慮到鈦合金材料的磨削特點(diǎn)，磨削時(shí)注意事項(xiàng)總結(jié)如下：（1）因?yàn)閺椥阅Ａ啃。庸r(shí)夾緊、受力易造成變形，會影響加工精度，因此使用工件夾緊時(shí)，應(yīng)合理控制緊固力，必要時(shí)使用支承裝置進(jìn)行輔助固定。（2）切削過程中，如果使用的切削液中含有氫，高溫狀態(tài)下會釋放出氫氣，和鈦元素反應(yīng)后導(dǎo)致表層變脆，或者高溫下應(yīng)力腐蝕而開裂[8]。（3）如果使用氯化物，磨削過程中會揮發(fā)有毒氣體，提示加工人員采取安全防護(hù)措施；加工后清洗零部件時(shí)，應(yīng)使用不含有氯的清洗劑。（4）選擇工具、夾具時(shí)，不能使用含有鉛或鋅的合金，而且要保證工具、夾具潔凈，不能存在油脂污染。（5）微量切削鈦合金時(shí)，切下的細(xì)小碎屑可能燃燒，為了避免燃燒發(fā)生，應(yīng)及時(shí)清理機(jī)床上的切削，及時(shí)更換刀具，或者調(diào)整切削速度。一旦燃燒，使用滑石粉、干粉滅火器撲滅。

2.3 工藝優(yōu)化

（1）合理選擇刀具。對鈦合金材料進(jìn)行磨削加工時(shí)，合理選擇刀具是第一步，應(yīng)該從鈦合金的材料特性、刀具的材質(zhì)特征兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。合適的刀具配合科學(xué)的方法，才能提高加工精度質(zhì)量。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，常用的刀具材質(zhì)有：硬質(zhì)合金、高速鋼、聚晶金剛石、立方氮化硼等。其中，立方氮化硼不僅硬度高，而且可以耐高熱，在不少企業(yè)中應(yīng)用；聚晶金剛石的使用，能適應(yīng)鈦合金在磨削時(shí)高熱、高速的要求，其穩(wěn)定性較好，目前也廣泛應(yīng)用；涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)，是抗氧化性、抗粘連性較好，能在復(fù)雜條件下加工，具有良好的發(fā)展前景[9-10]。

（2）改善磨削條件。對鈦合金磨削加工時(shí)，應(yīng)改善磨削條件，對機(jī)械加工系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)際加工時(shí)，加工人員應(yīng)調(diào)整機(jī)床結(jié)構(gòu)的參數(shù)，確保主軸零部件平穩(wěn)運(yùn)行，提高產(chǎn)品加工標(biāo)準(zhǔn)。此外，刀具不能長時(shí)間使用，應(yīng)掌握刀具的損耗特征，定期更換刀具[11]。以磨削深度和砂輪速度為例，可通過試驗(yàn)確定減少砂輪粘附磨損的磨削參數(shù)。使用能譜分析儀對磨削后的砂輪進(jìn)行分析，計(jì)算鈦合金相對砂輪的特有成分Al、砂輪中的成分Si比例，從而確定砂輪的粘附率。

切入式磨削，磨削深度就是工件轉(zhuǎn)一周時(shí)，相對于砂輪的徑向移動距離。在無心磨床上，工件速度Vw和導(dǎo)輪線速度Vc相等，即Vw=Vc，這兩者的計(jì)算方法是：

使用GC 60 KV砂輪磨削TC4材料，當(dāng)工件速度為2.5 m/s，磨削距離為100 mm時(shí)，通過試驗(yàn)得到砂輪粘附率見表1。分析可知：對TC4材料磨削時(shí)，最佳磨削深度為0.05～0.1 mm，最佳砂輪速度為25 m/s，此時(shí)砂輪粘附率最小。

表1 砂輪粘附率試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

（3）控制切削范圍。鈦合金材料切削時(shí)，控制切削范圍需要注意以下幾點(diǎn)：首先控制好切削速度，不僅影響刀具的切削強(qiáng)度，也關(guān)系到刀刃的使用壽命。其次控制好切削深度，一般來說切削深度不能太淺。加工作業(yè)中，適當(dāng)減慢切削速度，并增加切削深度，有助于提高切削質(zhì)量。

（4）改造冷卻方式

針對當(dāng)前冷卻潤滑系統(tǒng)的缺陷，我們通過技術(shù)改造研發(fā)出一套新型的冷卻潤滑系統(tǒng)，改造要點(diǎn)是：①在主噴嘴的基礎(chǔ)上，加裝一個(gè)輔助噴嘴，能隔離回轉(zhuǎn)氣流；②在砂輪對應(yīng)方向上，加裝一個(gè)高壓噴嘴，用于清洗工件。改造后，能防止鈦合金工件的廢屑積聚在砂輪表面。為了確保液體供應(yīng)，我們對供液壓力、流量、噴嘴結(jié)構(gòu)及尺寸等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，配合高效率的吸風(fēng)排風(fēng)裝置，防止油霧噴濺。以GC 60 KV砂輪磨削TC4材料為例，對比改造后的冷卻效果見表2。分析可知：增加輔助噴嘴和清洗噴嘴，能減輕砂輪磨損，防止零件表面燒傷，并且有助于提高零件的圓度指標(biāo)。

表2 冷卻系統(tǒng)改造效果比較

3 無心磨削技術(shù)在鈦合金材料加工中的應(yīng)用

3.1 無心磨削特點(diǎn)

磨削工藝中，無心磨削是一種特殊類型，工件在無心磨床上，只有磨削點(diǎn)被磨削，而支承點(diǎn)沒有被磨削，工件本身會不斷變化。鈦合金采用無心磨削技術(shù)，因工件中心沒有定位，容易造成磨削外圓不圓的問題。因此，企業(yè)和加工人員關(guān)注的重點(diǎn)，是工件如何被磨圓。

3.2 無心磨削成圓理論

無心磨削時(shí)，鈦合金工件的被磨削表面、定位表面，都是工件表面。第1圈，工件原始表面誤差為Δ0，和導(dǎo)輪、托板接觸時(shí)的定位誤差為ΔF，這兩者聯(lián)合作用并反映到磨削點(diǎn)上，工件表面磨削后的加工誤差就是Δ1。第2圈，以上誤差再次出現(xiàn)，最終形成加工誤差Δ2。以此類推，隨著磨削進(jìn)行，工件轉(zhuǎn)過第m圈，加工誤差就是Δm。而且，這些加工誤差的關(guān)系見式5。

也就是說，無心磨削過程中，鈦合金工件會越磨越圓，加工誤差也會越來越小。然而，這一結(jié)論是在理想狀態(tài)下，實(shí)際上工件表面并不光滑，微觀上看是凹凸起伏的，要想使工件磨圓，就要多磨凸起處，不磨或少磨低凹處，才能提高磨削精度。工件存在原始表面誤差，定位時(shí)發(fā)生位移是定位誤差，這兩者之和就是合成誤差。為了減少合成誤差，采取的措施包括：

第一，提高磨削前半成品的外圓質(zhì)量。對比數(shù)控車床和六角車床對半成品進(jìn)行加工，前者加工后的圓度誤差更小，僅有0.007～0.008 mm；而后者因加工精度低，圓度誤差達(dá)到0.01～0.02 mm。因此，半成品在磨削前，首先減小原始誤差，就能減小磨削后的圓度誤差。

第二，提高托板的制造質(zhì)量。托板的平面度越高，定位誤差越小，零件加工的圓度誤差越小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：托板支撐斜面的平面度，從0.002 mm變?yōu)?.0004 mm，工件表面的粗糙度從Ra1.6提升至Ra0.8。另外，也可以在托板支撐面上，使用鑲嵌式的硬質(zhì)合金，提高托板的耐磨性，減小磨損引起的定位誤差。

第三，清理砂輪表面的殘留物。使用高壓清洗裝置，對砂輪表面的粘附物進(jìn)行及時(shí)清洗，有助于減小定位誤差。一方面合理選擇砂輪參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備的冷卻潤滑系統(tǒng)；另一方面可增加驅(qū)動器，促使無心磨床對砂輪進(jìn)行自動修整，去除砂輪表面的粘附物，對誤差進(jìn)行自動補(bǔ)償[12]。

3.3 應(yīng)用成果

以某鈦合金材料為例，是D型螺栓材料，牌號為TC4，原形態(tài)是棒料，加工工藝流程是：熱處理→加工外形→加工平端面及倒角→銑扁→滾壓螺紋→去毛刺→磨外圓。在磨外圓環(huán)節(jié)，采用無心磨削工藝，要求圓度達(dá)到0.004 mm，表面粗糙度為0.8。

砂輪和磨削參數(shù)確定如下：①砂輪選用綠碳化硅材料，粒度為60粒，硬度選擇K級，砂輪代號為GC 60 KV。②砂輪規(guī)格：外徑455 mm，寬度80 mm，孔徑228.6 mm。③砂輪速度為25 m/s，轉(zhuǎn)速為1 050 r/min。④進(jìn)給量粗磨時(shí)為0.02 mm/str，精磨時(shí)為0.001 mm/str。⑤磨削余量粗磨時(shí)為0.15 mm，精磨時(shí)為0.05 mm，將圓度誤差控制在0.01 mm以內(nèi)。⑥無心磨床型號是CM100-D，設(shè)備主軸為高精度的極限間隙滾動軸承，并且配置清洗裝置。⑦砂輪自動修整、自動進(jìn)給補(bǔ)償、自動上下料，經(jīng)過編程實(shí)現(xiàn)。

常規(guī)加工作業(yè)時(shí)，使用白剛玉砂輪磨削，砂輪磨損嚴(yán)重，而且加工效率低，批量加工時(shí)還易造成工件燒傷現(xiàn)象，燒傷率為15%；圓度要求合格率僅為50%～80%。通過優(yōu)化砂輪參數(shù)，控制磨削用量，重新對設(shè)備進(jìn)行編程，結(jié)果顯示工件加工后圓度合格率為98%，不僅滿足圓度要求，而且表面沒有燒傷現(xiàn)象，可見優(yōu)化工藝后的成果顯著，見表2。

表2 工藝改進(jìn)前后的磨削結(jié)果比較

4 結(jié)語

綜上所述，鈦合金材料剛度強(qiáng)度大、熱強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用市場。結(jié)合鈦合金材料的磨削特點(diǎn)和注意事項(xiàng)，合理選擇刀具，改善磨削條件，控制切削范圍，能提高磨削精度和質(zhì)量。本文以無心磨削工藝為例，工藝改進(jìn)后不僅滿足圓度要求，而且表面沒有燒傷現(xiàn)象，是一種安全可行的磨削工藝，具有較高的推廣價(jià)值。在未來，隨著鈦合金材料的應(yīng)用范圍更加廣泛，為了保證材料特性，對于加工環(huán)節(jié)提出更高要求。對鈦合金材料進(jìn)行磨削加工時(shí)，只有不斷改進(jìn)工藝，優(yōu)化設(shè)備儀器，加強(qiáng)質(zhì)量管理，才能獲得高精度、高性能的鈦合金工件，為后續(xù)生產(chǎn)制造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。