離心研磨加工鈦合金表面粗糙度的試驗研究

呂春蘭

（吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 132022）

鈦合金具有密度小、強度高、力學性能好、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能，在航空航天領域具有良好的發(fā)展前景[1—2]。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，對鈦合金材料的需求日益增多，同時對其表面質量的要求也越來越高。鈦合金由于韌性高，加工時易產生加工硬化，是一種典型的難加工材料[3]。傳統(tǒng)的磨削加工由于磨削力大、溫度高，易對加工表面產生燒傷，且加工后鈦合金的表面粗糙度和波紋度較高，這將對零件的配合精度及疲勞強度產生不利影響，使得零件性能無法滿足重要零件的使用要求[4—6]。

針對鈦合金的表面加工，尤其是精密加工與超精密加工，國內外研究人員進行了大量的研究，研究主要集中于砂輪磨削、砂帶磨拋、磁研磨拋光以及磨料流拋光等方面[7]。文獻[8]探討了化學銑切工藝對鈦合金表面粗糙度的影響，化銑后鈦合金表面粗糙度值Ra可達到0.8～1.6 μm。文獻[9]研究了氧化鋁砂帶和碳化硅砂帶對 TC4耐熱鈦合金表面完整性的影響，研究結果表明氧化鋁砂帶能夠獲得更小的表面粗糙度值。文獻[10]利用磁研磨法很好地解決了航空發(fā)動機用鈦合金彎管內表面拋光的難題。文獻[11]采用超聲振動精密加工技術對飛機鈦合金緊固件大孔實現(xiàn)了高質、高效、低成本的加工，加工后孔表面粗糙度值Ra接近0.8 μm。文獻[12]采用磨料流加工方法對 TC4鈦合金進行了表面磨拋加工，加工后表面粗糙度值Ra為2 μm左右。TC21鈦合金是我國自行研制的一種高強度、高韌性的兩相鈦合金，在航空工業(yè)中用于制造飛機構件和部件[13—14]。本文將離心研磨加工技術應用于TC21鈦合金的表面精密加工，該技術為典型的自動化加工技術，具有自動化程度高、加工時溫升小和自適應性好等優(yōu)點。

本文通過試驗對離心研磨加工鈦合金的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)對 TC21鈦合金進行進一步的離心研磨加工試驗，并研究了表面二次細化加工對工件表面粗糙度的影響。

1 離心研磨加工的機理分析

離心研磨工藝的加工原理如圖1所示，設備主要由呈對稱布置的4個滾筒和1個公轉輪盤組成，加工時將工件連同磨料、磨液置于密封的滾筒中，輪盤在公轉的同時，滾筒沿相反方向作自轉運動。合理的工藝參數(shù)是取得最佳研磨加工效果的必要條件。重要的研磨工藝參數(shù)有加工介質特性（磨料材質、形狀、尺寸、硬度等）、介質裝入量、滾筒轉速、傳動比以及加工時間等。氧化鋁和碳化硅因具有較強的耐磨性和耐沖擊性，在離心研磨加工中使用較多。當磨塊粒徑較大時，加工中與工件表面接觸的顆粒數(shù)減少，磨塊與工件之間的壓強增大，材料去除率增大；反之當磨塊粒徑較小時，加工的材料去除率減小。規(guī)定公轉輪盤的轉速為N，滾筒轉速為n，當N0，n=0時，滾筒內介質呈曲面形態(tài)（圖2a），磨料與工件之間主要為正壓力作用，切削作用很弱；當N0，n0時，滾筒在公轉的同時產生自轉運動（自轉運動與公轉運動方向相反），滾筒內介質呈“S”形曲面形態(tài)（圖 2b），滾筒內介質形成一強制滑移流動層，在滑移流動層內，磨料對工件表面產生強烈的碰撞、擠壓與摩擦，工件表面的粗糙度值逐漸降低，直至滿足加工要求[15—17]。

2 離心研磨加工TC21鈦合金的工藝參數(shù)優(yōu)化

為得到較優(yōu)的離心研磨加工TC21鈦合金的工藝參數(shù)，以表面粗糙度為評價指標，采用單因素試驗法研究不同工藝參數(shù)下離心研磨加工對TC21鈦合金表面粗糙度的影響。

工件為TC21鈦合金板材，尺寸為100 mm ×20 mm×5 mm。試驗設備為東邦鋼機株式會社的TAB-14臥式行星研磨機，傳動比n/N=?1。磨料選用球體氧化鋁和球體碳化硅。將工件和磨料加入滾筒中至滾筒容積的 60%，加入水至滾筒容積的70%左右。為避免加工過程中工件和工件之間因相互碰撞而出現(xiàn)磕傷現(xiàn)象，試驗中每個滾筒內放置1個試樣。

2.1 磨料材質對表面粗糙度的影響

離心研磨工藝要求磨料具有較高的耐磨性及耐沖擊性。氧化鋁和碳化硅是離心研磨加工中常用的磨料，其中氧化鋁的密度為3.62 g/cm3，碳化硅的密度為3.2 g/cm3，因二者質量不同，加工中對工件的沖擊力及磨削力有明顯差別。在轉速為 180 r/min的條件下，分別用粒徑為2 mm的氧化鋁磨料和碳化硅磨料對 TC21鈦合金進行了加工試驗。采用 NDT120便攜式表面粗糙度儀對工件加工前后的表面粗糙度進行了測量，使用 Matlab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行了整理與分析，不同材質的磨料對TC21鈦合金表面粗糙度的影響如圖3所示。

在加工的初始階段（約0～15 min），由于工件表面粗糙，凸峰較大，磨料對工件表面的磨削作用強烈，在該段時間內工件表面的材料去除量大，因此表面粗糙度值下降明顯。隨著加工的進行，工件表面的凸峰、加工刀痕不斷被磨平，磨料與工件表面的接觸面積增大，使單位面積的摩擦力減小，磨料對工件表面的磨削作用變弱，表面粗糙度值的變化趨于平緩、均勻。從圖中可以看出，氧化鋁磨料的加工效果優(yōu)于碳化硅磨料，在同樣的加工時間內，能夠獲得更低的表面粗糙度值。

2.2 磨料粒徑對表面粗糙度的影響

磨料粒徑影響磨料與工件表面之間的正壓力和摩擦力。在磨料總質量一定時，減小磨料粒徑，則磨料數(shù)量增多，同時磨料與工件表面的接觸點增多，磨料對工件表面的磨削效果更加均勻，但是粒徑過小的磨料對工件表面的沖擊力和剪切力不足，使加工效率嚴重降低。而粒徑過大的磨料由于所攜帶的能量較大，磨料對工件的沖擊作用和磨削作用強烈，加工效果難以控制。設定滾筒轉速為 180 r/min，分別選擇粒徑為2、3、5、8 mm的氧化鋁磨料對TC21鈦合金進行了加工試驗。試驗結果如圖4所示。從圖中可以看出，粒徑為5 mm的磨料加工效果最好，而粒徑為2 mm和3 mm的磨料加工效果明顯差于粒徑為5 mm和8 mm的磨料加工效果。這表明在加工的初始階段，粒徑過小的磨料存在加工困難現(xiàn)象，適當增大磨料粒徑有利于提高加工效率。

2.3 滾筒轉速對表面粗糙度的影響

選用粒徑為5 mm的氧化鋁磨料，分別設定滾筒轉速為120、180、240、300 r/min，研究了滾筒轉速對TC21鈦合金表面粗糙度的影響。圖5為不同轉速下TC21鈦合金表面粗糙度值隨加工時間的變化。從圖中可以看出，不同轉速下的加工效果差別很大。轉速為120 r/min時的加工效果最差，原因主要為在轉速較低的條件下，磨料對工件表面的磨削力小，加工效率低。隨著轉速的提高，加工效率提高明顯。但是當N=300 r/min時，工件表面粗糙度值在30 min時達到最小，在加工時間為40 min時，表面粗糙度值反而增大。原因為在轉速過高時，磨料對零件表面的碰撞、磨削劇烈，加工均勻性差，在加工時間較長時表面質量下降。當轉速為 240 r/min，加工時間為40 min時，加工效果最佳。

3 表面二次細化加工

使用粒徑為5 mm的氧化鋁磨料，在滾筒轉速為240 r/min的條件下，對TC21鈦合金進行了離心研磨加工。加工40 min后，工件的表面粗糙度值Ra由1.412 μm降低至0.513 μm。在此基礎上，使用粒徑為3 mm的磨料對工件進行了表面二次細化處理，不同加工時間下工件的表面粗糙度值如圖6所示。從圖中可以看出，經過二次細化加工，工件的表面粗糙度值進一步減小，表面粗糙度值降低至0.267 μm。在加工時間超過15 min后，由于工件表面的粗糙度值已經很小，磨料與工件表面之間主要為相對滑擦作用，磨削作用很弱，表面粗糙度值變化很小。使用BCM-200E型精密光學顯微鏡觀察了加工前后工件的表面形貌，放大 200倍后的表面形貌見圖7。從圖7中可以看出，加工前工件表面紋理較深，存在缺陷；加工后工件表面平整光滑，加工紋理和表面缺陷消失，工件表面質量提高明顯。

4 結論

1）通過試驗對加工的主要工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，確定了離心研磨加工TC21鈦合金較優(yōu)的工藝參數(shù)，即：磨料材質選用氧化鋁，磨料粒徑為5 mm，滾筒轉速為240 r/min。

2）采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)對 TC21鈦合金進行了研磨加工，并結合表面二次細化處理，使TC21鈦合金表面粗糙度值由1.412 μm降至0.267 μm，表面粗糙度下降兩級，加工效果顯著。

3）離心研磨工藝有效消除了工件表面的加工紋理和缺陷，驗證了使用離心研磨工藝加工 TC21鈦合金的可行性。