磨粒磨損對(duì)砂帶磨削TC17表面完整性的影響研究*

肖貴堅(jiān)，陳樹(shù)林，李少川，陳本強(qiáng)，卓曉琴，黃 云

（1.重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044；2.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）

加工表面完整性作為加工質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)表面摩擦磨損性能、抗疲勞性能等綜合服役性能具有重要影響[1-2]，因此需要在加工的過(guò)程中盡量保持或者提升加工表面完整性。而加工過(guò)程不可避免會(huì)發(fā)生刀具磨損，這又會(huì)進(jìn)一步影響表面完整性和結(jié)構(gòu)服役性能[3]。

現(xiàn)有研究表明刀具磨損對(duì)于表面完整性的影響是“雙面”的，一方面刀具磨損會(huì)降低切削能力、提升磨削溫度。過(guò)度的刀具磨損會(huì)產(chǎn)生表面殘余拉應(yīng)力、表面損傷等表面缺陷，進(jìn)而對(duì)服役性能產(chǎn)生不利影響。Zhang 等[4]結(jié)合有限元仿真和試驗(yàn)，研究了刀具在不同磨損程度下加工表面的加工溫度、殘余應(yīng)力和白蝕層厚度，發(fā)現(xiàn)隨刀具磨損量增加磨削溫度和白蝕層厚度增加、加工表面殘余應(yīng)力發(fā)生壓應(yīng)力向拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)變。另一方面，部分研究表明適當(dāng)?shù)毒吣p可以改變刀具幾何形狀，進(jìn)而達(dá)到提升構(gòu)件表面的殘余壓應(yīng)力、降低表面粗糙度的目的，提升構(gòu)件服役性能[5]。Li等[6]研究了刀具磨削量對(duì)于表面完整性和抗疲勞性能的影響，結(jié)果表明刀具磨損與表面質(zhì)量之間的關(guān)系并非線性的，在適當(dāng)?shù)牡毒吣p下可以獲得較高的表面硬度、殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命，而過(guò)大的磨損量將降低磨削表面的質(zhì)量。

砂帶磨削作為航空構(gòu)件的最終材料去除工藝，廣泛用于高性能構(gòu)件精密加工。在砂帶磨削加工中磨削質(zhì)量受多種因素的影響，其中砂帶磨損狀況是影響磨削質(zhì)量的主要因素[7-9]。由于磨粒的持續(xù)磨損，砂帶去除能力降低，特別是當(dāng)砂帶接近終點(diǎn)時(shí)，磨削質(zhì)量下降是顯著的。Khellouki 等[10]研究表明，與舊砂帶相比，新砂帶可以達(dá)到兩倍的切削深度，這將大大增加材料去除的不一致性，進(jìn)而影響工件表面完整性和服役性能。Qi 等[11]分析了砂帶全壽命周期磨削鈦合金的材料去除率和表面質(zhì)量變化，并基于改進(jìn)馬氏距離和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了砂帶磨損多信息融合監(jiān)測(cè)模型。Oo 等[12]提出了一種基于圖像處理的刀具磨損監(jiān)測(cè)方法，建立了磨粒面積與砂帶壽命的相關(guān)性模型，用于評(píng)估砂帶的剩余磨削能力。Syreyshchikova 等[13]建立了柔性磨具磨損與磨削條件之間的關(guān)系，研究了磨粒磨損和柔性刀具性能退化的機(jī)理，對(duì)所獲指標(biāo)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。此外，部分研究表明適當(dāng)?shù)哪チＤp可以降低表面粗糙度[10]、增加殘余壓應(yīng)力及其影響深度[14]。Huang 等[15]利用磨損鈍化處理砂帶對(duì)航發(fā)葉片進(jìn)行磨削加工，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)哪チＤp可以改善磨削表面質(zhì)量，進(jìn)而提升航發(fā)葉片抗疲勞性能。然而目前對(duì)于砂帶磨損的研究多集中于磨損速率及其對(duì)材料去除率的影響，磨粒磨損對(duì)磨削表面完整性和服役性能影響規(guī)律的研究鮮有提及，難以實(shí)現(xiàn)重大戰(zhàn)略裝備核心構(gòu)件表面的高性能加工，因此亟須對(duì)磨粒磨損后砂帶磨削表面完整性進(jìn)行探究，指導(dǎo)高性能表面磨削加工。

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫和優(yōu)異的抗疲勞性能，在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，成為制造高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片以及整體葉盤(pán)的重要材料[16-18]。由于鈦合金材料的難加工特性和應(yīng)力集中敏感特性，加工后的表面完整性對(duì)于服役性能尤為重要。表面粗糙度、殘余應(yīng)力、硬度作為磨削表面完整性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于構(gòu)件服役性能影響顯著。磨粒磨損影響砂帶與工件之間的作用機(jī)制，進(jìn)而影響鈦合金磨削后的表面完整性和服役性能，因此探究磨粒磨損對(duì)于鈦合金表面完整性具有重要意義。本研究以TC17 為研究對(duì)象，選擇表面粗糙度、殘余應(yīng)力和顯微硬度作為表面完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鋒利磨削、鈍化磨削組試樣的表面完整性進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究磨粒磨損對(duì)于砂帶磨削鈦合金表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為高表面完整性鈦合金磨削加工提供指導(dǎo)。

1 材料、試驗(yàn)及方法

磨削試驗(yàn)用材料為T(mén)C17，為富含β 相的α+β 型鈦合金，對(duì)應(yīng)美國(guó)材料牌號(hào)Ti-17，具有組織調(diào)控范圍大、高強(qiáng)度的特點(diǎn)。材料的具體成分和力學(xué)性能參數(shù)分別如表1和2 所示。

表1 TC17 合金材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Nominal element compositions of TC17 alloy (mass fraction) %

利用線切割加工技術(shù)將2mm 厚的TC17 鈦合金板切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1所示。線切割過(guò)程中，通過(guò)控制冷卻速率以及線切割速率和功率，控制線切割表面的溫度，避免金屬受冷作硬化或過(guò)熱作用從而影響金屬性質(zhì)。對(duì)線切割加工后的試樣，為了消除線切割加工對(duì)于加工表面材料性質(zhì)的影響，采用磨削加工去除表面氧化層。

圖1 試樣幾何尺寸Fig.1 Sample geometry and dimensions

磨削時(shí)用夾具將試樣固定，利用七軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床對(duì)試樣中間頸部磨削區(qū)域進(jìn)行恒力往復(fù)磨削。由于砂帶磨削過(guò)程中磨削溫度較低，因此磨削試驗(yàn)在沒(méi)有潤(rùn)滑劑冷卻的條件下進(jìn)行。同時(shí)為了探究砂帶種類(lèi)對(duì)于結(jié)果的影響，磨削試驗(yàn)采用兩種磨損前后的砂帶進(jìn)行加工表面完整性對(duì)比（圖2）?；谇捌谏皫珘勖芷跉堄鄳?yīng)力研究[19]，本研究中的磨損態(tài)砂帶為在相同工況下穩(wěn)定預(yù)磨損1h 后的砂帶。4 組試樣的具體加工參數(shù)如表3所示，其中磨粒磨損組與對(duì)照組具有完全相同的磨削參數(shù)。

表3 試樣的磨削加工參數(shù)Fig.3 Grinding parameters of samples

圖2 試樣磨削加工示意圖Fig.2 Schematic diagram of samples grinding

圖3為試樣磨削部位的表面形貌及紋理特征采用超景深檢測(cè)裝置（圖3（a））和白光干涉儀檢測(cè)（圖3（c）），分別獲得磨削部位的表面形貌和廓形特征，以對(duì)磨削表面形貌進(jìn)行綜合評(píng)估。同時(shí)采用粗糙度檢測(cè)儀垂直磨削方向進(jìn)行試樣表面粗糙度檢測(cè)，測(cè)頭在表面劃過(guò)并記錄表面特征，通過(guò)計(jì)算求得磨削表面的粗糙度特征，對(duì)于同一個(gè)試樣的粗糙度在不同位置重復(fù)測(cè)量6 次，獲得試樣表面粗糙度參數(shù)Ra和Rz值。

表2 TC17 室溫力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical properties of TC17 at room temperature

試樣的表層顯微硬度采用HXS-1000AY 硬度計(jì)（圖3（b））檢測(cè)，測(cè)試時(shí)給頂角120°的金剛石錐體施加0.05kg 的外部載荷使其壓入材料表面，通過(guò)壓痕的深度求得材料表面的顯微硬度。其中同一磨削試樣的表面顯微硬度在不同位置進(jìn)行20 次重復(fù)測(cè)試，取平均值作為表面顯微硬度測(cè)試值。

鈦合金試樣磨削后表面殘余應(yīng)力采用Proto 公司生產(chǎn)的XRD 射線殘余應(yīng)力檢測(cè)儀 （圖3（d））進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試時(shí)根據(jù)鈦合金材料選擇X 射線入射角度，獲得衍射峰型圖，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。對(duì)同一試樣在不同磨削部位進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量，取平均值作為磨削試樣表面的平均殘余應(yīng)力。

圖3 表面完整性檢測(cè)裝置Fig.3 Surface integrity detection device

2 結(jié)果與討論

2.1 磨削表面形貌及紋理特征

試驗(yàn)獲得不同砂帶的磨削試樣的表面形貌如圖4所示。圖4（a）和 （c）分別為鋒利鋯剛玉和金剛石砂帶磨削試樣的表面形貌；圖4（b）和 （d）分別為鈍化處理鋯剛玉和金剛石砂帶磨削試樣的表面形貌?？梢钥吹戒h利砂帶磨削試樣表面具有明顯的磨削痕跡，磨痕較深且磨削痕跡深度較大，劃痕表面呈金屬色澤。與鋒利砂帶磨削的試樣相比鈍磨組試樣表面較光滑，磨削紋理細(xì)密，表面均勻而細(xì)膩，只有局部較深劃痕。此外，在鈍化金剛石砂帶磨削試樣的表面觀察到了明顯的塑性變形區(qū)域。

圖4 磨削試樣的表面形貌Fig.4 Surface topography of grinding samples

試樣磨削部位的粗糙度和廓形特征如圖5所示，可以看到鋒利砂帶磨削試樣表面存在明顯的尖銳溝壑特征且尖銳特征較多，而鈍磨葉片的表面紋理變化較緩和同時(shí)尖銳特征的數(shù)量減少。與鋒利砂帶磨削的試樣相比，鈍磨組試樣的表面粗糙度參數(shù)Ra和Rz均有大幅降低。其中，鈍化鋯剛玉砂帶磨削試樣的表面粗糙度Ra從3.975μm 降低至1.181μm，降幅達(dá)到70.3%，Rz值從21.89μm 降低至13.93μm，降幅達(dá)到36.4%。鈍化金剛石砂帶磨削表面的表面粗糙度Ra和Rz分別從2.316μm 和15.47μm降低至0.998μm 和8.79μm，降幅分別為56.9%和43.2%。

圖5 磨削試樣的表面廓形及粗糙度Fig.5 Surface profile and roughness of grinding samples

4 種砂帶磨粒狀態(tài)如圖6所示，其中圖6（a）和（c）分別為磨損前后的鋯剛玉砂帶磨粒；圖6（b）和（d）分別為磨損前后的金剛石砂帶磨粒。與新砂帶相比，磨損后的砂帶磨粒由于突出磨粒尖端被磨平，使得砂帶磨粒高度均勻化，磨損磨粒的單次磨痕寬度增加，磨削紋理的深度趨于一致、尖銳劃痕消失。同時(shí)，磨粒磨損使得單位面積參與切削的磨粒數(shù)增加，相同磨削壓力下，磨削紋理深度減小，因此表面磨削紋理更細(xì)膩均勻、表面粗糙度大幅減小，磨削紋理造成的應(yīng)力集中因子也大幅減小。磨削紋理是影響構(gòu)件服役性能的主要因素，可以通過(guò)磨粒鈍化來(lái)降低表面粗糙度和應(yīng)力集中，進(jìn)而提升磨削構(gòu)件的表面完整性。

2.2 磨削表面硬度

表面硬度作為表面力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于表面性能和評(píng)估具有重要作用。試驗(yàn)測(cè)得TC17試樣基體硬度和不同磨削工藝獲得表面的顯微硬度如圖7所示?？梢钥吹?，鋒利砂帶磨削組試樣的表面硬度均大于磨粒磨損砂帶加工組，而磨粒磨損鈍化組砂帶磨削試樣的表面硬度均略低于基體材料。其中鋒利鋯剛玉砂帶磨削試樣具有最大的表面硬度平均值，與初始硬度相比硬度提升20.5%。鈍化金剛石砂帶具有最小的表面硬度，低于初始硬度3.6%?？梢?jiàn)，對(duì)于表面硬度是限制因素的構(gòu)件可以通過(guò)鋒利砂帶磨削提升表面硬度。

磨削表面記錄了磨削過(guò)程中磨粒與表面之間的作用機(jī)制，可以一定程度反映材料表面完整性特征的形成過(guò)程。檢測(cè)獲得磨削表面的代表性特征如圖8所示，其中圖8（a）和 （c）為第1 組和第3 組砂帶磨削表面，即鋒利磨粒加工表面。圖8（b）和 （d）為第2 和第4 組砂帶磨削表面，即磨損后磨粒加工表面。觀察發(fā)現(xiàn)，鋒利砂帶磨削表面具有明顯塑性變形特征，同時(shí)由于未磨損磨粒具有較大的材料去除深度，當(dāng)材料積聚至一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生塑性去除，形成磨削微坑 （圖8（a））或塑性瘤 （圖8（c）），考慮到砂帶磨削的溫度較低，因此認(rèn)為是鋒利磨粒砂帶磨削表面產(chǎn)生了加工硬化，因而表面硬度高于基體材料硬度。磨粒磨損后的砂帶，由于磨粒切削刃鈍化、有效磨削磨粒數(shù)和磨痕寬度增加，在加工過(guò)程表面材料受到的平均應(yīng)力較小，材料只發(fā)生了輕微塑性流動(dòng)，因此磨削表面沒(méi)有發(fā)生加工強(qiáng)化，鈍磨表面的顯微硬度沒(méi)有升高，反而硬度略有降低。這是由于有效磨削磨粒數(shù)和磨削寬度的增加，使磨削深度減小，因此材料去除過(guò)程中磨屑受到了較大切削應(yīng)力。同時(shí)磨粒鈍化使得磨削溫度略微提升（從圖6（c）中的熱影響區(qū)可見(jiàn)），因此材料去除過(guò)程材料表面發(fā)生了大變形引起的塑性流動(dòng)，因此其硬度略低于基體硬度。磨粒磨損后加工表面有局部磨屑堆積（圖8（c））和材料涂敷（圖8（d））也間接證實(shí)了上述結(jié)論。

圖6 砂帶磨粒狀態(tài)Fig.6 Abrasive grain diagram of typical abrasive belt

2.3 表面殘余應(yīng)力

檢測(cè)得到不同磨削工藝下加工試樣表面殘余應(yīng)力如圖9所示，其中，試樣0 為原始表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)；試樣1 和試樣2 為鋯剛玉砂帶磨粒磨損前后磨削鈦合金表面的殘余應(yīng)力；試樣3 和試樣4 為金剛石砂帶磨粒磨損前后磨削鈦合金表面的殘余應(yīng)力?？梢钥吹?，與試樣原始表面的殘余拉應(yīng)力相比，砂帶磨削后的表面均為殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。磨粒磨損后的鋯剛玉砂帶磨削表面的殘余壓應(yīng)力高于鋒利砂帶磨削表面，即鋯剛玉砂帶磨粒磨損有利于磨削表面殘余壓應(yīng)力的提升。對(duì)于金剛石砂帶，磨粒的磨損使得表面的殘余壓應(yīng)力降低，說(shuō)明磨粒鈍化后金剛石砂帶加工表面的殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。其中，新金剛石砂帶磨削表面具有最大平均表面殘余壓應(yīng)力為-400MPa，鈍化鋯剛玉砂帶的表面殘余壓應(yīng)力略小于新金剛石砂帶，磨削表面平均殘余應(yīng)力值為-384MPa。鈍化金剛石砂帶與新鋯剛玉砂帶磨削表面的平均殘余應(yīng)力接近，分別為-264MPa和-289MPa。

圖9 基體及磨削試樣表面殘余應(yīng)力（試樣0 為初始表面）Fig.9 Residual stress of substrate and grinding sample surface (sample 0 is initial surface)

結(jié)合磨粒形狀（圖6）和磨削表面（圖8）分析可以認(rèn)為，砂帶磨削過(guò)程中磨粒在去除材料的過(guò)程中擠壓表層材料，材料受到磨削應(yīng)力的作用產(chǎn)生了表面殘余壓應(yīng)力。鋯剛玉砂帶棱錐形的磨粒磨損后由于磨粒尖端鈍化，材料去除過(guò)程中對(duì)表層材料的擠壓作用更大，因而表面殘余壓應(yīng)力更大。對(duì)于金剛石砂帶，磨粒磨損后磨粒近似圓柱形，且磨粒參與磨削面積增加，加工過(guò)程中磨削深度減小，產(chǎn)生部分不可逆的塑性變形和塑性流動(dòng)，因而表面殘余壓應(yīng)力減小，這與磨削表面殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果相一致。

圖8 磨削表面特征Fig.8 Grinding surface characteristics

3 結(jié)論

本研究探究了磨粒磨損對(duì)于砂帶磨削TC17表面完整性的影響規(guī)律和影響機(jī)制，可以為高性能鈦合金表面高質(zhì)量磨削加工提供方法指導(dǎo)。從本研究中可以得到以下結(jié)論：

（1）磨粒磨損后的砂帶由于磨粒高度趨于均勻化，單位面積參與磨削的磨粒數(shù)增加，同時(shí)磨損磨粒磨痕寬度增加、磨削深度減小，因此磨削表面的紋理均勻而細(xì)密，表面粗糙度參數(shù)Rz和Ra分別降低36.4%和56.9%以上。

（2）鋒利磨粒加工中材料發(fā)生了明顯塑性變形，因此磨削TC17 表面發(fā)生加工硬化，硬度得到提升，顯微硬度提升幅度達(dá)到20%。同時(shí)，磨粒磨損后參與磨削磨粒數(shù)增加、磨痕寬度增加，加工中材料變形不足以形成加工硬化，因此表面硬度近似為基體硬度。

（3）砂帶磨削加工實(shí)現(xiàn)了表面殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，磨削后的表面均為殘余壓應(yīng)力。其中鋯剛玉砂帶的磨粒鈍化可以增加表面殘余壓應(yīng)力；金剛石砂帶的磨粒磨損使加工表面的殘余壓應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。

（4）磨粒磨損后的鋯剛玉砂帶加工表面具有較小的表面粗糙度、表面硬度和較大的表面殘余壓應(yīng)力，在高性能鈦合金表面磨削加工中具有優(yōu)勢(shì)。磨粒磨損后的金剛石砂帶加工TC17 表面具有較小的表面粗糙度、表面硬度和較小表面殘余壓應(yīng)力。