鈦合金TC4的超硬磨料柔性拋光輪數(shù)控拋光試驗(yàn)研究*

朱正清，陳志同

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.棗莊北航機(jī)床創(chuàng)新研究院有限公司，棗莊 277000）

鈦合金材料比強(qiáng)度高，密度小，受熱情況穩(wěn)定，可以極大地減輕零件結(jié)構(gòu)的重量。由于其優(yōu)越的性能，鈦合金也常常被選為航空發(fā)動機(jī)葉片及葉盤的制造材料，其質(zhì)量占整個航空發(fā)動機(jī)的25%以上，僅次于高溫合金材料的用量[1]。但是鈦合金材料在數(shù)控磨拋加工中容易發(fā)生燒傷及黏附現(xiàn)象，且易與刀具發(fā)生化學(xué)作用而導(dǎo)致刀具磨損，屬于典型的難加工材料。目前，對于大部分鈦合金材料的航空發(fā)動機(jī)葉片及葉盤拋光加工，幾乎都采用的是人工打磨的方式，但打磨過程環(huán)境惡劣，打磨粉塵嚴(yán)重影響到人體健康，且葉片的人工打磨質(zhì)量一致性差，影響葉片的使用效果和服役性能，因此研究數(shù)控拋光有著十分重要的意義[2-3]。

針對鈦合金材料數(shù)控拋光加工問題，國內(nèi)外不少學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，研究的拋光方式主要可以分為數(shù)控輪式拋光[4-6]、數(shù)控砂帶拋光[7-9]以及磨粒流拋光[10-11]，也包括拋光工具、拋光機(jī)構(gòu)以及拋光機(jī)理和工藝參數(shù)等方面的研究。目前常用的數(shù)控拋光工具有橡膠輪、羊毛氈輪、百葉輪和砂帶等，但各類數(shù)控拋光方式存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。橡膠輪和百葉輪主要用于被加工零件的表面粗拋光，在拋光過程中很容易磨損，同時磨料磨粒結(jié)合強(qiáng)度不夠高，經(jīng)常會發(fā)生從基體脫落的現(xiàn)象，在一次完整的拋光加工過程中往往需要更換多個拋光工具；羊毛氈輪則主要用于被加工零件的表面精拋光，但拋光過程中會存在大量的有害粉塵，嚴(yán)重影響人體健康和污染環(huán)境；砂帶在數(shù)控拋光過程中使用率較高，其拋光質(zhì)量和效率也都較好，但是由于砂帶本身的特殊性，在對航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)排氣邊、葉根等小結(jié)構(gòu)和小區(qū)域拋光過程中，存在一定的局限性，同時，為實(shí)現(xiàn)零件表面隨形拋光，砂帶需要配套力控機(jī)構(gòu)才能執(zhí)行，對于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的曲面，砂帶拋光需要使用六軸聯(lián)動甚至是七軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床。

北京航空航天大學(xué)研制的具有中間過渡基體的復(fù)雜母線超硬磨料柔性拋光輪[12]體積小、結(jié)構(gòu)簡單，在拋光過程中與工件表面保持彈性接觸，具有良好的拋光去除深度和表面粗糙度[13]，尤其適合小區(qū)域結(jié)構(gòu)的數(shù)控拋光，但是超硬磨料柔性拋光輪在鈦合金材料數(shù)控拋光過程中，工藝參數(shù)對拋光表面粗糙度和拋光去除深度的影響規(guī)律和作用機(jī)理還尚不明朗。因此，本研究以常用鈦合金材料TC4 為試驗(yàn)對象，開展了超硬磨料柔性拋光輪的數(shù)控拋光試驗(yàn)研究。

本研究針對TC4 鈦合金材料拋光試驗(yàn)過程中，主要研究探索超硬磨料柔性拋光輪主要拋光參數(shù)（轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、預(yù)壓量及行距）對TC4 鈦合金材料拋光去除深度及拋光后試件表面粗糙度的影響規(guī)律，并分析各拋光參數(shù)影響的主次關(guān)系，為后續(xù)航空發(fā)動機(jī)鈦合金葉片及葉盤數(shù)控拋光提供理論基礎(chǔ)。

1 超硬磨料柔性拋光輪

超硬磨料柔性拋光輪是一種以柔性基體為載體，外部附以CBN（立方氮化硼）、金剛石等超硬磨料的拋光工具，其微觀結(jié)構(gòu)見圖1（其中D為拋光輪大直徑；r為鼓形半徑）。磨料基體與橡膠構(gòu)成的柔性基體穩(wěn)定結(jié)合，磨料通過支撐物與橡膠隔絕，不會在拋光過程中受力擠壓到橡膠基體中，同時超硬材料形成的基體依托在支撐物上，支撐物和橡膠基體完全貼合，接合面積的提高大大增強(qiáng)了整個拋光工具的結(jié)合強(qiáng)度，因此金剛石磨料、CBN 等超硬磨料不會被擠壓到基體中而失去磨削作用。超硬磨料柔性拋光輪在拋光過程中，由規(guī)律排列在輪體表面的超硬磨粒來完成，單顆磨粒從微觀看，就像一個刀具刃角為鈍角的切削刀具，其大小與磨粒的粒度號有關(guān)。

圖1 超硬磨料柔性拋光輪微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of flexible polishing wheel

超硬磨料柔性拋光輪作為一種新型拋光工具，在航空發(fā)動機(jī)葉片等復(fù)雜曲面拋光方面具有較好的適應(yīng)性，其主要特點(diǎn)如下。

（1）超硬磨料柔性拋光輪結(jié)合了傳統(tǒng)的砂帶和拋光輪的優(yōu)勢，具有砂帶磨削去量功能，且彈性基體使得拋光輪具有良好的拋光效果。

（2）超硬磨料柔性拋光輪結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低廉，可以為了適應(yīng)被拋光曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的母線形狀，有效避免拋光干涉。本課題組為適應(yīng)航空發(fā)動機(jī)葉片復(fù)雜特征結(jié)構(gòu)拋光而研制的不同母線拋光輪如圖2所示。圖3為超硬磨料柔性拋光輪拋光某型號葉片葉根以及緣板等結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的超硬磨料柔性拋光輪Fig.2 Superhard abrasive flexible polishing wheels with different structures

圖3 葉根以及緣板等結(jié)構(gòu)的拋光Fig.3 Polishing of leaf roots and edge plates

（3）超硬磨料柔性拋光輪具有柔性能力，可以通過控制拋光預(yù)壓量來調(diào)節(jié)拋光效果，這樣可以大程度地降低數(shù)控拋光對零件定位精度和機(jī)床精度的要求。

2 TC4 鈦合金數(shù)控拋光試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用材料為鈦合金TC4，如圖4所示，為首次精銑完后的TC4 試件塊，規(guī)格為100mm×100mm×35mm，加工面尺寸為100mm×100mm，在加工面上反復(fù)進(jìn)行精銑和拋光以開展不同參數(shù)的拋光試驗(yàn)。用Taylor Hobson 粗糙度測量儀測得銑削后的TC4 試件塊表面粗糙度Ra為2.2～2.5μm。試驗(yàn)設(shè)備為三軸立式數(shù)控拋光機(jī)床 （工作臺行程：X為350mm，Y為700mm，Z為450mm，數(shù)控系統(tǒng)為臺灣新代數(shù)控系統(tǒng)）。

圖4 精銑后的TC4 試件塊Fig.4 TC4 block after finish milling

根據(jù)本課題組在航空發(fā)動機(jī)葉片鈦合金材料數(shù)控拋光方面的經(jīng)驗(yàn)，選取400#金剛石磨料柔性拋光輪（D24r1.5）對TC4 鈦合金材料進(jìn)行數(shù)控拋光，如圖5所示。整個拋光試驗(yàn)過程中選定的拋光轉(zhuǎn)速、拋光預(yù)壓量、進(jìn)給速度以及拋光行距參數(shù)范圍見表1。

表1 拋光轉(zhuǎn)速、拋光預(yù)壓量、進(jìn)給速度以及拋光行距參數(shù)范圍Table 1 Parameter range of polishing speed,compression,feed speed and row pitch

圖5 數(shù)控拋光Fig.5 Numerical control polishing

試件拋光后，采用千分表在機(jī)測量的方式，測量試驗(yàn)拋光部分的材料去除深度，即通過拋光前后千分表的讀數(shù)差值來計(jì)算拋光去除量（圖6（a）），同時，采用Taylor Hobson 粗糙度測量儀測量拋光表面的粗糙度（圖6（b））。

圖6 拋光后指標(biāo)測量Fig.6 Measurement after polishing

2.2 工藝參數(shù)對拋光去除深度和表面粗糙度的影響試驗(yàn)

本次拋光試驗(yàn)主要考察兩個評價(jià)指標(biāo)：拋光去除深度及拋光后表面粗糙度。因此，為了描述各拋光參數(shù)對此兩個評價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，本研究采用單因素試驗(yàn)法開展試驗(yàn)，在制備好的拋光試件上分別對金剛石磨料柔性拋光輪的拋光轉(zhuǎn)速、預(yù)壓量、進(jìn)給速度和行距做單因素拋光研究，分析數(shù)控拋光中這4個主要拋光參數(shù)對TC4 試件拋光去除深度及拋光后表面粗糙度的影響規(guī)律。

2.2.1 轉(zhuǎn)速

在探究拋光輪轉(zhuǎn)速對去除深度和表面粗糙度的影響規(guī)律時，根據(jù)單因素試驗(yàn)原理，控制進(jìn)給速度、預(yù)壓量以及行距不變，分別選取不同的拋光速度進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)如下：固定設(shè)置進(jìn)給速度為1600mm/min，預(yù)壓量為0.2mm，行距為0.25mm，轉(zhuǎn)速均勻間隔選取6000～12000r/min。拋光完后對試件拋光去除深度和表面粗糙度進(jìn)行測量，以觀察不同拋光轉(zhuǎn)速下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速對表面粗糙度和拋光去除深度的影響Fig.7 Effect of polishing speed on surface roughness and polishing removal depth

可以看出，拋光去除深度隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，這與Preston 方程[14]的單位時間磨削去除量與相對運(yùn)動速度的關(guān)系類似，且轉(zhuǎn)速增大，同一區(qū)域被拋光輪上的磨粒磨削的次數(shù)增多，從而使得拋光去除深度增加。拋光表面粗糙度隨著拋光轉(zhuǎn)速增大而呈現(xiàn)的變化規(guī)律是先減小后增大，其原因在于：當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時，精銑刀紋并不能被完全去除，故表面粗糙度值較大；轉(zhuǎn)速增大，平面上的高點(diǎn)被拋光的次數(shù)增多，使得工件表面的質(zhì)量變好，然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定值時，拋光時產(chǎn)生的熱量及切屑不能及時排出，導(dǎo)致被拋下來的鈦合金粉末黏附在工件表面上，同時使得拋光去量增速放緩，從而使得表面粗糙度升高。因此，在超硬磨料柔性拋光輪對鈦合金拋光過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增大，會出現(xiàn)表面粗糙度先減小后增大的規(guī)律，在本研究單因素試驗(yàn)中，拋光轉(zhuǎn)速為10000r/min 左右時，拋光表面粗糙度最低。

2.2.2 預(yù)壓量

拋光預(yù)壓量均勻間隔選取0.1～0.4mm，固定轉(zhuǎn)速8000 r/min，進(jìn)給速度1600mm/min，行距0.25mm，拋光完后對試件拋光去除深度和表面粗糙度進(jìn)行測量，以觀察不同預(yù)壓量下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。預(yù)壓量的影響規(guī)律如圖8所示?？芍瑨伖馊コ疃入S拋光預(yù)壓量的增大近似線性增大，在前期課題組的研究結(jié)果中得到了拋光接觸壓力與壓緊量的變化也是呈線性正相關(guān)的[5]，因此，預(yù)壓量越大，拋光接觸力也越大，拋光去除深度隨之增加，這與Preston 方程中磨削去量與相對壓力之間的變化規(guī)律也是一致的。表面粗糙度則是隨拋光預(yù)壓量的增大呈先減小后增大的變化趨勢，其原因在于：當(dāng)預(yù)壓量太小時，拋光輪的去除材料能力較低，沒有將精銑刀紋完全去除，所以表面粗糙度值較高；預(yù)壓量太大時，接觸壓力增大使得拋光溫度升高、拋光去量增大，鈦合金粉末排屑不及時導(dǎo)致黏附在工件表面上，并且接觸壓力增大使得磨粒對工件表面的滑擦痕跡更深，導(dǎo)致表面粗糙度升高。在本研究單因素試驗(yàn)中，拋光預(yù)壓量約為0.25mm 時，拋光表面粗糙度最低。

圖8 預(yù)壓量對表面粗糙度及拋光去除深度的影響Fig.8 Effect of compression on surface roughness and polishing removal depth

2.2.3 進(jìn)給速度

如圖9所示，拋光進(jìn)給速度均勻間隔選取1400～2000mm/min，固定轉(zhuǎn)速8000r/min，預(yù)壓量0.2mm，行距0.25mm，拋光完后對試件拋光去除深度和表面粗糙度進(jìn)行測量，以觀察不同進(jìn)給速度下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。

圖9 進(jìn)給速度對表面粗糙度及拋光去除深度的影響Fig.9 Effect of feed speed on surface roughness and polishing removal depth

可知，進(jìn)給速度對拋光去除深度及表面粗糙度的影響都較小，進(jìn)給速度的大小決定了拋光輪在單位區(qū)域內(nèi)停留時間的長短，停留時間長，拋光輪去除材料強(qiáng)度大，停留時間長，拋光輪去除材料強(qiáng)度小，所以拋光去除深度隨進(jìn)給速度的增大是呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢，表面粗糙度則隨進(jìn)給速度的變化基本上保持平穩(wěn)的趨勢。

2.2.4 拋光行距

拋光行距選取范圍為0.18～0.34 mm，固定轉(zhuǎn)速8000r/min，進(jìn)給速度1600mm/min，預(yù)壓量0.2mm，以觀察不同拋光行距下拋光去除深度和表面粗糙度的變化規(guī)律。拋光行距的影響規(guī)律如圖10所示。

圖10 行距對表面粗糙度及拋光去除深度的影響Fig.10 Effect of row pitch on surface roughness and polishing removal depth

可以看出，表面粗糙度是隨著拋光行距增大而增大的，而拋光去除深度是隨著拋光行距增大而減小的。這是因?yàn)殡S著拋光行距增大，工件上被重復(fù)拋光的區(qū)域面積減小，即單位區(qū)域上被拋光的次數(shù)減少，使得拋光去除深度隨之減小，表面粗糙度值也隨之增大?？梢韵胂?，如果拋光行距足夠大，工件單位區(qū)域拋光次數(shù)將為0，即工件表面沒有進(jìn)行拋光，此時，表面粗糙度為工件初始值。在拋光過程中，拋光行距會影響到拋光時間，所以，拋光過程中可以根據(jù)對拋光效率和拋光質(zhì)量的要求合理選擇拋光行距。

2.3 拋光去除深度和表面粗糙度的影響參數(shù)主次分析

為了分析金剛石磨料柔性拋光輪的拋光轉(zhuǎn)速、預(yù)壓量、進(jìn)給速度和行距對拋光去除深度以及拋光表面粗糙度的影響主次關(guān)系，本研究設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)[15]，采用極差法來分析此4 個拋光工藝參數(shù)對拋光去除深度以及拋光表面粗糙度的主次順序。正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

設(shè)m為正交試驗(yàn)表中任意一列各個因素的水平出現(xiàn)的次數(shù)，此處m的值為3，Hk為任意一列中水平序號為k時的試驗(yàn)結(jié)果之和，令hk=Hk/m，則各因素的極差值R（各因素在其取值范圍內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)變化的幅度）可以按以下公式計(jì)算，

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的各因素極差值如表3所示。其中，極差值越大，該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，則從表3中可以知道，影響拋光去除深度的因素主次順序?yàn)椋簰伖忸A(yù)壓量、拋光轉(zhuǎn)速、編程行距、進(jìn)給速度；影響拋光表面粗糙度的因素主次順序?yàn)椋簰伖廪D(zhuǎn)速、拋光預(yù)壓量、編程行距、進(jìn)給速度。

表2 拋光去除深度和表面粗糙度的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test result of polishing removal depth and surface roughness

表3 各因素的極差值Table 3 Range value of each factor

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)拋光參數(shù)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)結(jié)果可知，拋光轉(zhuǎn)速和拋光預(yù)壓量對拋光去除深度及表面粗糙度的影響較大，而拋光進(jìn)給速度和拋光行距對拋光去除深度及表面粗糙度的影響相對較小。其中，拋光去除深度隨著拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量的增大而明顯增大，這與Preston 方程中磨削去量與相對運(yùn)動速度之間以及磨削去量與相對接觸壓力之間的變化規(guī)律是一致的，速度和接觸力越大，拋光輪去除材料的能力越強(qiáng)。而拋光表面粗糙度隨著拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量的增大而呈現(xiàn)的規(guī)律則是先減小后增大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增大到一定值時，拋光時產(chǎn)生的熱量及切屑不能及時排出，導(dǎo)致被拋下來的鈦合金粉末黏附在工件表面上（圖11），使得拋光去除深度增速放緩，并且表面粗糙度升高。同樣預(yù)壓量太大時，接觸壓力增大使得拋光溫度升高、拋光去除深度增大，鈦合金粉末排屑不足導(dǎo)致黏附在工件表面上，并且接觸壓力增大使得磨粒對工件表面的滑擦痕跡更深，導(dǎo)致表面粗糙度升高。

圖11 鈦合金黏附表面Fig.11 Titanium alloy adhesion surface

進(jìn)一步對鈦合金試件表面黏附物質(zhì)進(jìn)行成分分析，如圖12所示，通過對比可以看出黏附物質(zhì)成分與鈦合金試件基本相同，可以認(rèn)為鈦合金試件在拋光過程中，其表面材料微粒經(jīng)過拋光輪的磨削作用與零件分離出來，當(dāng)拋光輪線速度較高，分離的鈦合金粉末來不及分散，黏附在試件表面，從而產(chǎn)生黏附現(xiàn)象。

圖12 鈦合金試件及黏附物質(zhì)成分Fig.12 Composition of titanium alloy and adhesion material

因此，利用金剛石柔性拋光輪對鈦合金TC4 材料進(jìn)行數(shù)控拋光過程中，為避免拋光表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象，有效地控制表面質(zhì)量和拋光去量，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際加工條件，合理地選擇拋光過程中的兩個關(guān)鍵參數(shù)：轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量。因?yàn)閽伖膺^程中，不合適的轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量會使得TC4 材料的拋光表面質(zhì)量變壞。而拋光進(jìn)給速度和拋光編程行距對拋光去除深度及表面粗糙度的影響較小，但對拋光效率影響較大，因此，在合理地選擇了拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量之后，應(yīng)根據(jù)拋光效率要求選擇合理的進(jìn)給速度和拋光行距。

3 結(jié)論

（1）采用單因素試驗(yàn)法，探究了金剛石磨料柔性拋光輪的拋光速度、進(jìn)給速度、預(yù)壓量以及拋光行距等這些主要拋光工藝參數(shù)對TC4 鈦合金材料拋光的去除深度和表面粗糙度的影響規(guī)律，并通過四因素三水平的正交試驗(yàn)分析了拋光工藝參數(shù)對拋光表面粗糙度和拋光去除深度的主次影響關(guān)系，為后續(xù)的航空發(fā)動機(jī)鈦合金葉片數(shù)控拋光過程提供理論支持。

（2）通過物質(zhì)成分對比，確認(rèn)了鈦合金拋光表面黏附物為拋光過程中分離出的鈦合金粉末，并分析了其表面黏附物的形成原因。

（3）拋光轉(zhuǎn)速和拋光預(yù)壓量是影響拋光質(zhì)量的主要因素，而拋光行距和拋光進(jìn)給速度的對拋光質(zhì)量的影響相對較小。其中，過大的拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量會使得TC4 材料拋光表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象，使得拋光表面質(zhì)量降低，在后續(xù)對航空發(fā)動機(jī)鈦合金葉片拋光過程中應(yīng)慎重地選擇拋光轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量，以防葉片表面出現(xiàn)黏附現(xiàn)象。