顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料磨削試驗(yàn)與仿真研究*

李 征，劉 斌，丁文鋒，田 帥，王正鶴

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046；2. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和優(yōu)異的高溫特性，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1–3]。為了提高其耐磨性和服役溫度等性能，研究人員將各種硬脆增強(qiáng)材料（TiC和TiB）加入鈦合金來(lái)制備性能更加優(yōu)異的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（PTMCs）[4–6]。PTMCs的屈服強(qiáng)度可達(dá)到1100 MPa，而TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度僅為700 MPa。盡管有些零部件可以使用近凈成形技術(shù)加工，但是后續(xù)相關(guān)精密加工工藝仍然不能被代替。由于PTMCs低導(dǎo)熱率以及對(duì)含碳、氧和氮化合物的親和力，當(dāng)車削和銑削PTMCs時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到不利于加工的情況，例如嚴(yán)重的刀具磨損、較差的加工表面質(zhì)量和較低的加工效率[7]。

目前，用砂輪磨削加工是提高難加工材料加工精度的一個(gè)重要方法[8]。然而，在鈦合金磨削過(guò)程中，由于其導(dǎo)熱性差和功耗大，砂輪與工件的接觸區(qū)域極易產(chǎn)生高溫，這是加工質(zhì)量與效率提升的主要制約因素。隨著磨削溫度的升高，工件材料往往表現(xiàn)出更大的延展性，從而冷焊到砂輪磨粒上。因此，工件材料更容易黏附在磨削表面從而降低表面質(zhì)量，同時(shí)砂輪磨損加劇，工件更易發(fā)生燒傷[9]。近年來(lái)，單層超硬磨料砂輪（即電鍍和釬焊砂輪）在難加工材料磨削中得到了廣泛應(yīng)用，較高的磨粒出露有效提升了砂輪鋒利度和容屑空間，特別是釬焊砂輪的磨粒出露高度可以是電鍍砂輪的兩倍。釬焊砂輪較高的磨粒出露高度不但沒(méi)有影響磨粒的連接強(qiáng)度，反而使超硬磨料的優(yōu)勢(shì)更為突出，增加了砂輪鋒利度和降低了磨削溫度[10]。

另一方面，與鋁基復(fù)合材料相似，在磨削PTMCs時(shí)，會(huì)在加工表面出現(xiàn)硬脆材料去除形成的加工缺陷。已有研究人員針對(duì)PTMCs采用各種砂輪開(kāi)展了一系列磨削試驗(yàn)，對(duì)磨削表面質(zhì)量和加工過(guò)程參量進(jìn)行了研究[11]。吳幫福等[12]采用微晶剛玉砂輪進(jìn)行了PTMCs磨削試驗(yàn)，研究了超聲磨削和普通磨削兩種加工方式對(duì)PTMCs磨削加工特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)磨削可以有效增強(qiáng)砂輪自銳能力，從而提升砂輪磨削效果。在超聲磨削加工方式下，PTMCs的磨削力和加工表面粗糙度都要優(yōu)于普通磨削；同時(shí)，超聲磨削還有抑制磨削燒傷的作用。但直到目前，還沒(méi)有針對(duì)PTMCs材料去除機(jī)制的研究。鑒于此，有必要開(kāi)展單層釬焊CBN砂輪磨削PTMCs的試驗(yàn)與仿真研究，為進(jìn)一步提高PTMCs加工質(zhì)量和效率提供理論和技術(shù)支持。

本文采用單層釬焊CBN砂輪開(kāi)展了PTMCs磨削試驗(yàn)，對(duì)比研究了在磨削TC4鈦合金和PTMCs時(shí)，磨削用量對(duì)磨削力和磨削溫度的影響規(guī)律，對(duì)PTMCs的磨削難易程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。利用有限元法研究了PTMCs材料去除演變過(guò)程，分析了磨削速度對(duì)PTMCs材料去除的影響。

1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)所用PTMCs（微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）是通過(guò)原位反應(yīng)法生產(chǎn)的，增強(qiáng)顆粒為硬脆TiC材料，尺寸為1.2～10 μm，體積分?jǐn)?shù)約為10%，基體為TC4鈦合金，其力學(xué)性能如表1所示。將材料切割成尺寸為25 mm×20 mm×5 mm的試樣，并在25 mm×5 mm表面上進(jìn)行磨削試驗(yàn)。砂輪采用的是粒度80/100單層釬焊CBN砂輪，砂輪寬度為10 mm。

表1 PTMCs力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of PTMCs

圖1 PTMCs微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of PTMCs

磨削試驗(yàn)在最大主軸功率為45 kW的平面磨床上進(jìn)行，所有試驗(yàn)均選擇逆磨，磨削參數(shù)見(jiàn)表2，磨削試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖2。使用Kistler 9272壓電測(cè)力計(jì)測(cè)量磨削力，磨削溫度信號(hào)通過(guò)半人工自然熱電偶檢測(cè)，磨削力和溫度數(shù)據(jù)取5次重復(fù)試驗(yàn)平均值。

圖2 磨削試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Experimental setup of the grinding

表2 磨削參數(shù)Table 2 Grinding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 PTMCs磨削難易程度分析

TC4鈦合金是一種典型難加工材料，與其他金屬材料相比，磨削加工中其具有更高的磨削力與磨削溫度，從而影響了加工質(zhì)量。因此，為了評(píng)價(jià)PTMCs加工難易程度，對(duì)TC4鈦合金和PTMCs磨削力和磨削溫度差異進(jìn)行了對(duì)比分析。圖3為TC4鈦合金和PTMCs磨削力的差異（其中Fn為法向力，F(xiàn)t為切向力）。從圖3（a）可以看出，當(dāng)磨削速度vs從120 m/s下降到20 m/s時(shí)對(duì)于法向磨削力，TC4從15.0 N增加到55.3 N，PTMCs則從18.7 N增加到65.0 N，PTMCs的法向磨削力較TC4增加了15%～25%；對(duì)于切向磨削力，TC4從4.0 N增加到13.6 N，PTMCs則從5.1 N增加到16.1 N，PTMCs的切向磨削力較TC4增加了18%～28%。從圖3（b）、（c）中可以看出，PTMCs的法向磨削力分別比TC4增加了17%～30%和15%～28%，PTMCs的切向磨削力分別比TC4增加了18%～28%和15%～29%。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論磨削參數(shù)如何變化，PTMCs的磨削力總是高于TC4鈦合金。

圖3 磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律Fig.3 Effects of grinding parameters on grinding force

磨削溫度直接影響零件的表面燒傷、裂紋與殘余應(yīng)力等。TC4鈦合金和PTMCs磨削溫度的差異如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，當(dāng)磨削速度vs從120 m/s下降到20 m/s，TC4磨削溫度從295 ℃下降到73 ℃，PTMCs則從323 ℃下降到80 ℃，PTMCs的磨削溫度較TC4增加了7%～11%。從圖4（b）中可以看出，當(dāng)磨削深度ap從100 μm下降到10 μm時(shí)，PTMCs的磨削溫度較TC4增加了8%～10%。從圖4（c）中可以看出，當(dāng)工件進(jìn)給速度vw從12 m/min下降到1 m/min時(shí)，PTMCs的磨削溫度較TC4增加了8%～11%。同樣，無(wú)論磨削參數(shù)如何變化，PTMCs的磨削溫度總是高于TC4，但磨削溫度的影響程度略小于磨削力。綜上所述，通過(guò)分析TC4和PTMCs磨削力和溫度的差異可知，由于具有較大的磨削力和較高磨削溫度，PTMCs比TC4鈦合金更難加工。

圖4 磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律Fig.4 Effects of grinding parameters on grinding temperature

2.2 PTMCs材料去除演變過(guò)程

為了更好地理解PTMCs材料去除行為，本文采用ABAQUS商業(yè)軟件建立了三維平面應(yīng)變有限元模型以模擬PTMCs的材料去除過(guò)程，模型如圖5所示。為了便于分析將增強(qiáng)顆粒簡(jiǎn)化為橢球體，橢球體的長(zhǎng)軸半徑為4 μm，短軸半徑為3 μm。工件在x方向尺寸為12 μm，y方向尺寸為7.5 μm，z方向尺寸為8 μm。假定CBN磨粒為前角–35°的三棱錐。模型中的磨削深度為單顆磨粒切厚。有限元仿真中，將TC4基體材料和TiC增強(qiáng)顆粒結(jié)合界面簡(jiǎn)化為單元捆綁，基體材料單元與顆粒單元共用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。TiC增強(qiáng)顆粒和TC4基體材料分別采用理想彈性體和JC模型賦予材料屬性，同時(shí)，分別采用脆性破裂和剪切失效模型作為材料失效準(zhǔn)則。采用滿足庫(kù)侖定律的摩擦接觸模型描述刀–屑接觸區(qū)的摩擦，并將摩擦系數(shù)μ設(shè)置為0.3。在加工過(guò)程中，磨粒的變形很小，可假設(shè)為剛體。

圖5 三維平面應(yīng)變有限元模型Fig.5 3D plane strain finite element model

圖6為磨削速度20 m/s、單顆磨粒切厚0.7 μm時(shí)PTMCs的材料去除演變過(guò)程。值得注意的是，磨削PTMCs的去除演變過(guò)程經(jīng)歷了2個(gè)典型階段：TC4鈦合金基體材料去除階段和增強(qiáng)顆粒材料去除階段，將上述兩個(gè)階段表示為S1和S2。其中，S1階段包括兩個(gè)部分，第1部分從時(shí)刻A（圖6（a））到時(shí)刻B（圖6（b））為去除增強(qiáng)顆粒前基體材料階段；第2部分從時(shí)刻E（圖6（e））到時(shí)刻F（圖6（f））為去除增強(qiáng)顆粒后基體材料階段。

在S1階段第1部分，PTMCs的材料去除過(guò)程是典型的金屬切屑形成的過(guò)程，即由于TC4基體金屬材料的絕熱剪切而形成鋸齒形切屑。但是，由于TiC增強(qiáng)顆粒所受的應(yīng)力僅為0.547 GPa，不足以對(duì)其產(chǎn)生顯著影響，因此增強(qiáng)顆粒保持完整。在S1階段第2部分，PTMCs的材料去除過(guò)程仍是以TC4基體絕熱剪切形成鋸齒狀切屑為主。由于磨粒CBN逐漸遠(yuǎn)離TiC增強(qiáng)顆粒，因此增強(qiáng)顆粒去除狀態(tài)未有改變。可以看出，在S1階段，PTMCs的材料去除以金屬基體材料的延性去除為主。

從S2階段可以看出，從時(shí)刻B（圖6（b））到時(shí)刻E（圖6（e））主要為增強(qiáng)顆粒被去除。在時(shí)刻B，磨粒CBN即將與增強(qiáng)顆粒接觸，此時(shí)由于最大應(yīng)力存在于增強(qiáng)顆粒中，因此會(huì)使磨粒下方的增強(qiáng)顆粒產(chǎn)生微小斷裂，這通常是脆性斷裂的前兆。在時(shí)刻C，一半的增強(qiáng)顆粒已被去除，發(fā)現(xiàn)磨粒CBN和增強(qiáng)顆粒之間存在一定的非接觸區(qū)域，如圖6（c）所示，這種現(xiàn)象是增強(qiáng)顆粒脆性斷裂形成的碎屑從表面剝落導(dǎo)致的，這也表明應(yīng)力已超過(guò)增強(qiáng)顆粒脆性破壞的臨界值。在前半部分增強(qiáng)顆粒去除過(guò)程中，PTMCs的材料去除主要以脆性斷裂為主。在時(shí)刻D，當(dāng)去除到增強(qiáng)顆粒后半部分時(shí)微裂紋開(kāi)始在增強(qiáng)顆粒中形成，如圖6（d）所示。隨著磨削的進(jìn)行，增強(qiáng)顆粒中的裂紋加劇并擴(kuò)展，如圖6（e）所示。最后，當(dāng)增強(qiáng)顆粒中的碎屑被冷卻液沖出時(shí)，在磨削表面上產(chǎn)生了孔洞缺陷。可以看出，在S2階段，PTMCs的材料去除以TiC增強(qiáng)顆粒的脆性去除為主。

圖6 磨削PTMCs的材料去除演變過(guò)程Fig.6 Material removal behavior of grinding PTMCs

PTMCs的材料去除演變過(guò)程為金屬基體材料的延性去除和TiC增強(qiáng)顆粒的脆性去除。在S1階段，PTMCs的材料去除行為屬于延性去除，材料去除主要由鋸齒狀切屑形成。然而，在S2階段，PTMCs的材料去除行為是脆性域去除，材料去除主要是脆性斷裂、裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展。圖7為采用SEM觀察得到的PTMCs典型磨削加表面形貌特征，磨削表面出現(xiàn)較多由TiC硬脆增強(qiáng)顆粒破碎形成的孔洞缺陷（圖7箭頭所示），這與仿真結(jié)果相一致。由此可以看出，孔洞缺陷是PTMCs磨削中的典型磨削表面損傷。

圖7 PTMCs典型磨削加表面Fig.7 Topography of PTMCs ground surface

2.3 磨削速度對(duì)PTMCs材料去除的影響

圖8為磨削速度對(duì)PTMCs材料去除的影響?？梢钥闯觯瑢?duì)于TiC增強(qiáng)顆粒脆性去除產(chǎn)生孔洞缺陷深度，高速磨削和低速磨削有很大差異。當(dāng)磨削速度從120 m/s降到20 m/s時(shí)，磨削表面孔洞缺陷深度由0.8 μm增加到了3.5 μm，增加了約3.4倍。形成這個(gè)現(xiàn)象的原因之一是高速磨削和低速磨削的單顆磨粒切厚有顯著差異，當(dāng)磨削速度從120 m/s降到20 m/s時(shí)，單顆磨粒切厚從0.3 μm增加到0.7 μm，增加了近1.3倍。研究表明，單顆磨粒切厚對(duì)硬脆材料橫向裂紋的形成有重要影響，橫向裂紋深度隨著單顆磨粒切厚的增加而增加[13]。隨著橫向裂紋擴(kuò)展的深度和數(shù)量逐漸增加，橫向裂紋相互交織，最終延伸至增強(qiáng)顆粒表面，形成了較大面積和深度的孔洞缺陷。同時(shí)，低速磨削相對(duì)高速磨削會(huì)產(chǎn)生較大的磨削力，磨削力的增加促使橫向裂紋擴(kuò)展加快。因此，提高磨削速度可以降低增強(qiáng)顆粒脆性去除對(duì)PTMCs磨削表面孔洞缺陷的影響程度。

圖8 磨削速度對(duì)PTMCs材料去除的影響Fig.8 Effects of grinding speed on material removal of PTMCs

3 結(jié)論

（1）磨削過(guò)程中，PTMCs的磨削力較TC4增加了15%～30%，磨削溫度增加了7%～11%，PTMCs較TC4鈦合金更難加工。

（2）PTMCs的材料去除包括延性去除和脆性去除，延性去除是TC4基體材料鋸齒成屑，脆性去除主要是TiC增強(qiáng)顆粒脆性斷裂、裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展。由脆性去除形成的磨削表面孔洞缺陷是PTMCs磨削中的典型加工損傷。

（3）當(dāng)磨削速度從120 m/s降到20 m/s時(shí)，磨削表面孔洞缺陷深度由0.8 μm增加到3.5 μm，增加了約3.4倍。提高磨削速度可以降低PTMCs磨削表面孔洞缺陷。