高精度鈦合金細長軸的磨削

潘 濤 張 斌

（中國空空導彈研究院一分廠）

1 問題提出

鈦合金是一種新型結構材料，其主要特點是比重小，強度高，耐熱和腐蝕。在強度方面，鈦合金可以替代不銹鋼和合金結構鋼以減輕結構重量；在耐熱和耐腐蝕方面可以替代鋁鎂合金以提高結構性能。因此在航空，航天等部門得到廣泛應用。但由于鈦合金的難加工性，導致生產質量不穩定，加工效率低等問題出現。

光軸(圖一)是我單位某設備升降機構中的主要零件之一，它在升降機構中起著一個升降導軌的作用，其精度和粗糙度直接影響著升降板的動作靈活程度。該零件長度為320，長徑比26.7，外徑公差φ12-0。011，圓柱度0.008，粗糙度Ra0.8，材料為TC4 R GB/T2965-1996，該零件φ12-0。011外圓的加工，只有通過磨削獲得較優良的加工質量。

2 磨削難點

2.1 因為鈦的熱導率小，磨削熱積蓄在加工點，所以磨料的磨損大，其結果易產生磨削過燒，不僅表面粗糙度大，而且表面產生開裂燒傷。鈦的化學活性很高，切屑附著在磨粒上，由于粘附物與鈦合金磨削表面還要再接觸，在磨削力作用下造成粘附物脫落，導致磨粒的破碎與脫落，使砂輪磨損嚴重，磨削比下降，并造成零件幾何形狀誤差增加，形位公差不易控制。

2.2 細長軸是指L/d≥20倍的軸類工件，尺寸公差、形位公差都比較小，表面粗糙度Ra≤0.8。細長軸的剛性差，在外力及自身重力的作用下，都易產生彎曲變形，形位公差難以保證。

3 解決方法

3.1 機床

檢查并調整機床，確保砂輪主軸的回轉精度高于0.001mm，主軸與軸瓦的間隙0.01mm～0.015mm，砂輪架相對于工作臺的震幅小于0.001mm，橫向進給機構的靈敏度高，重復定位精度誤差小于0.002mm/10次，工作臺在10mm/min的低速下無爬行，頭尾架系統剛性好，采用小彈性的尾頂尖支承。

3.2 砂輪

3.2.1 砂輪的選擇

砂輪由磨粒、粘合劑和氣孔三要素構成，其磨削性由a、磨料，b、粒度；c、粘合程度；d、組織；e、粘合劑五個要素決定。一般對鈦合金材料特性，磨料種類按照以砂輪磨削性能為標志的磨削比（單位時間磨削量/單位實際砂輪磨損量）的順序排列為SDC＞CBNC＞GC＞WA＞AZ

SDC：涂復金屬的合成金剛石 CBNC：立方氮化硼GC：綠色碳化硅磨粒 WA：白色氧化鋁磨料

AZ：氧化鋁、氧化鍺磨料

但綜合使用方便、價格上考慮，磨料種類以綠色碳化硅磨粒較為合適，根據其材料特性和加工精度要求，砂輪磨料粒度選用60#，粘合程度中級K較為合適，在精加工微量進給磨削中，應特別注意防止磨削過燒，以結合力大，易使粘合程度和氣孔變化持久性好的陶瓷型最佳。所以，砂輪采用GC60KVP。

3.2.2 砂輪的改制

把砂輪改制成表面帶四個右旋的螺旋溝槽，因為螺旋槽砂輪磨削是以砂輪表面螺旋槽的一側邊緣縱向磨削為主，砂輪表面徑向壓力磨削為輔，四個螺旋槽側邊實現磨削，因此它的磨削效率可大大提高。由于多螺旋槽在單位時間內縱向磨削數增加，從而可以減低磨削壓力，提高軸的精度，降低表面粗糙度值，此外，因為砂輪表面有螺旋槽，高速旋轉時在螺旋槽內形成一個負壓腔，周圍空氣高速沖向此腔，形成氣流冷卻。脫落的砂粒及切屑順螺旋槽溝排出，使切屑不易阻塞砂輪表面，同時澆注切削液，切削液很容易地被吸入螺旋槽內，工件與砂輪發熱減少，使加工工件表面光潔，生產效率提高。

3.2.3 砂輪的修整

加工中用金剛石筆對砂輪進行修整，粗磨每次橫向進給量0.01mm～0.02mm，縱向進給速度50mm/min，精磨每次橫向進給量0.005mm～0.01mm，縱向進給速度20mm/min，最后作一次無進給光走刀完成對砂輪的精細修整，使砂輪表面獲得較好的等高性和微刃性。

3.3 磨削液的選擇

在鈦合金的磨削中，磨削液的使用非常重要，它具有冷卻、潤滑和沖洗作用，是不讓切削粘附在砂輪上，防止磨削過燒所必不可少的。一般水溶性磨削液不能得到良好的磨削比，而含有大量氯的比較合適，如含有氯化聚氧乙烯醚，磷酸三鈉，亞硝酸鈉，三乙醇胺等成分的QTS-1磨削液對鈦合金的磨削加工效果較好，但成分含有氯，易造成零件腐蝕，所以加工后一定注意清洗。另外增大供給磨削液的壓力也有助于改善加工的粗糙度和磨削比，因此改造磨削液的出口，使減小出口得到一定壓力的磨削液直接帶有壓力噴注在砂輪和工作接觸弧面，工作溫度降低。磨粒切入通過后被急速冷卻，表面殘余拉應力減小。隨噴嘴壓力提高，切削點由拉伸型變成壓縮型，它是使疲勞強度降低的有效方法。同時進行噴嘴沖洗，防止砂輪表面的糊住。

3.4 由于零件精度要求高，采用機床對頂研磨中心孔。按常規給中心孔加入潤滑機油后，發現研磨用硬質合金頂尖磨損快，改為采用加注鈦合金切削油，可以減少對頂尖的磨損，保證了中心孔的質量。

3.5 由于光軸是細長零件，為了更好的保證形位公差及質量，在零件中部安裝一個開式中心架，也可以較好克服中間凸、中間凹或母線不直的現象并提高工作效率。

使用中先用切入法磨削工件中部，切入速度要慢，粗磨時，每次切入量0.02mm—0.04mm，外圓粗糙度Ra≤0.8，外徑跳動在0.01mm內即可，精磨時外圓每次磨光量為0.005mm，經過精細磨削粗糙度Ra≤0.4mm，外徑跳動≤0.004mm.，精細的調整支撐點，以消除中間凸、中間凹或母線不直的現象，確保零件的形位公差。

4 效果

通過采取以上措施，克服了鈦合金易粘附砂輪，零件過燒現象。克服了細長軸的磨削易彎曲變形，產生腰鼓形的難點。在光軸加工中，產品一次性交檢合格率達到100%。

[1]吳全興等譯.鈦加工技術.西北有色金屬研究院，1997

[2]北京第一通用機械廠編.機械工人切削手冊，1995

[3]任敬心等主編.難加工材料的磨削，1999