鈦合金專用磨具的研究進展

張曉玲，徐三魁，鄒文俊，彭 進

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

鈦合金專用磨具的研究進展

張曉玲，徐三魁，鄒文俊，彭 進

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

鈦合金是一種典型的難加工材料，鈦合金磨削加工工件表層極易發生燒傷，其主要原因是鈦合金在磨削過程中極易粘附在磨具表面，使磨具失效。開展鈦合金的磨削加工的研究，尋求性能優良的磨削加工工具和最優的加工參數以保證鈦合金材料磨削加工的質量是生產中待解決并有著重大實際意義的課題,是國內外科研工作者研究的熱點之一。本文介紹了國內外鈦合金磨削加工的現狀，著重分析了鈦合金磨削燒傷現象，并對現有磨削方法進行分析。

鈦合金；磨削；磨具粘附；磨削燒傷

鈦合金是一種重要的金屬材料，擁有韌性好、比強度高、耐腐蝕、高溫性能好等一系列優異的特性，因此在石油化工行業、航空航天行業、建筑行業、體育用品行業、生物醫用領域得到廣泛應用[1-3]。鈦合金在國民經濟各部門廣泛地得到應用，尤其在制造飛機、火箭、導彈等產品時成為不可缺少的材料。近年來，我國鈦材料的需求量也在迅速增加，已成為繼美國和歐洲之后的第三大鈦產品消費國[4]。

在社會飛速發展的今天，科技發展和產品性能的提高，使得工業制造對鈦合金零件的尺寸精度和表面粗糙度要求越來越高。而目前鈦合金的磨削加工性能依然很差，磨削時存在很多難題[5-8]。鈦合金優良性能的特性使之得到廣泛的應用，同時也正是它的優良特性造成了鈦合金材料機械加工困難，長期以來在一定程度上又制約了它的應用。

1 TC4 鈦合金材料的典型物理性能

鈦的外觀近似于鋼，呈銀灰色，具有光澤。鈦的密度4.51 g/cm3左右變化，Ti-6Al-4V的相變點在990℃，導熱系數低，為8.79～12.98 W/(m·℃)。使用較多的鈦合金材料主要是TC4，其大致成分是 Ti-6A1-4V，室溫物理力學性能 σb=932MPa，σ0.2=834MPa，δ=10%，W= 30%，αk=39.24×104(J/m2)，線膨脹系數為7.89×10-6℃，硬度 HBS=320～360，E=111 GPa,λ=6.8 W/(m·℃)。TC4鈦合金硬度HB>350，熱導率為5.44W/(m·℃) 低于指標8倍，相對切削加工性Kr=0.25～0.38，是典型的難加工材料。

按照相組成進行分類，鈦合金可分為α鈦合金、近α鈦合金、β鈦合金及(α+β)鈦合金。航空工業中使用較多的是(α+β)型鈦合金，其中添加有 2%～10%的 β 穩定元素，常用的牌號有 TC4(Ti-6A1-4V)和 TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si-2Zr-0.25Fe)等[9-12]。

2 鈦合金材料的磨削特性

鈦合金材料的磨削加工的特性主要有[9-16]：

(1)磨削比較低，砂輪粘附嚴重。鈦合金材料硬度比較低，材料表面摩擦性能差，極易與對磨材料發生黏著，造成砂輪表面粘附、堵塞現象(如圖1所示)，使砂輪耐磨性變差。同時，隨著磨削的進行，砂輪磨粒上粘附的鈦合金與工件發生對磨，在磨削表面形成附著，并且造成砂輪磨損嚴重，磨削比急速下降。

圖1 砂輪堵塞圖片

(2)磨削溫度較高，磨削力較大。鈦合金材料的磨削過程不是一個單純的磨粒切削工件的過程，在合金真正形成磨屑前，經歷了劃擦、耕犁等變化過程，且劃擦過程在整個磨削過程占據很大比重，產生大量的磨削熱，溫度高達1000～1500℃。由于鈦合金有著良好的熱穩定性，其在高溫情況下，依然可以保持較高的強度和硬度，故磨削力較大。同時，磨粒和合金表面的擠壓過程也導致磨削力較大，法向磨削分力比磨削 45#鋼大數倍，切向磨削分力大近一倍。

圖2 TC4磨屑

(3)表面質量不易把控。鈦合金材料在磨削過程中，易變形復雜形成層疊狀擠裂切屑(如圖2所示)。在磨削高溫的作用下，材料表面極易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發生化學反應生成TiH、TiO2、TiN等硬脆層，降低了材料塑性；磨削高溫也會導致合金產生微裂紋、表層金相組織發生變化等熱缺陷。高溫造成的磨削燒傷，使工件表面質量變差。

3 磨具及磨削參數的選擇

3.1 磨具的選擇

鈦合金磨削要求磨具：粘附小，磨損小，不易堵塞，磨削溫度低。不同的磨料種類、磨料粒度、結合劑種類磨削鈦合金，其砂輪的粘附程度不同[17]。為解決鈦合金材料的磨削問題，找到合適的磨具及磨削參數國內外學者進行了大量研究探索，得到了一些有益的結論。

毛淑芳等[18]設計了磨削鈦合金專用陶瓷結合劑的碳化硅磨具配方和超硬磨料的CBN磨具配方，并對這兩組磨具配方進行了磨削實驗分析，發現超硬磨具配方比普通磨具配方做出的砂輪磨削效果要好得多。文中還指出，碳化硅磨具配方中所用的粘土-長石-石英-硼玻璃陶瓷結合劑化學穩定性好，硼玻璃作為熔劑原料的添加，顯著的提高磨具強度，改善磨削性能，此類結合劑用于碳化硅磨具制造，可顯著減少工件燒傷和裂紋、提高磨削效率和磨削比。

霍文國等[19]用釬焊CBN砂輪和釬焊金剛石砂輪磨削Ti6Al4V 板材進行磨削試驗，實驗表明磨削過鈦合金后的多層釬焊 CBN 砂輪和金剛石砂輪磨削表面無粘附(表面微觀形貌如圖3所示)，磨粒劃痕較為均勻，這主要是因為采用釬焊燒結技術制備的超硬磨料砂輪的磨粒出刃較好，磨粒鋒利，容屑空間大，鈦合金不易粘附。超硬磨料砂輪磨削后的工件表層顯微組織與基體的顯微組織相比較，晶粒沒有發生明顯地變化。多層釬焊超硬磨料砂輪磨削鈦合金斷面的顯微組織如圖4所示。

圖3 磨削工件表面微觀形貌( vs= 16 m / s，vw= 2 m / min， ap= 0. 025 mm )

圖4 超硬磨料砂輪磨削工件表層組織

華僑大學的徐西鵬教授[20]曾深入研究樹脂結合劑CBN砂輪磨削鈦合金的磨削性能，研究發現CBN砂輪緩磨鈦合金時能長期保持鋒利的原因不是由于自銳作用，而是CBN磨料不會與鈦合金發生粘附且具有良好耐磨性的緣故。CBN磨料本身具有極高的化學穩定性、它的超硬超耐磨特性與緩磨本身的低溫特征所構成的最佳工藝組合是解決鈦合金難磨問題的理想途徑。

圖5 砂帶磨拋試驗裝置

英國諾丁漢大學的D.A.Axinte*，M.Kritmanorot 等人[21]進行了耐熱鈦合金的砂帶磨拋研究。他們所用的拋光試驗裝置如圖5所示。試驗結果表明：砂帶磨削能在一兩個行程內磨掉工件上原來的加工痕跡，即使工件具有較大的表面粗糙度；砂帶磨削能達到很高的表面粗糙度(Ra≤0.35μm)；拋光后工件表面沒有明顯的熱影響區。

南京航空航天大學研究生任守良在導師徐九華的指導下[22]，從砂帶磨損的角度分析了鋯剛玉和黑色碳化硅兩種不同磨粒砂帶的磨削性能并進行試驗研究：鋯剛玉砂帶，在磨削初期主要以破碎磨損為主，在穩定磨損階段，以摩擦磨損和粘附磨損為主，在磨削后期主要以脫落磨損為主。而黑色碳化硅砂帶，在磨削初期和穩定磨損階段都以摩擦磨損為主，在磨削后期則以脫落和堵塞為主。表面粗糙度隨砂帶速度的增大而減小，隨工件速度的增大而增大，隨磨削深度的增大而增大。

大連理工大學的董志剛[23]使用大氣孔普通氣孔兩種微晶剛玉砂輪采用逆磨削方式，切入式磨削，加工TC17。使用顯微鏡觀察放大倍數為500倍的鈦合金磨削表面形貌，如圖6，兩種砂輪磨削后的鈦合金表面狀況均存在溝痕和缺陷，可明顯看出，大氣孔微晶砂輪磨削后的鈦合金表面比普通微晶剛玉磨削后的，溝痕更少，缺陷更輕，表面質量更好。

圖6 鈦合金典型磨削表面形貌

3.2 磨削參數的選擇

韓野、崔海軍[24]研究了樹脂結合劑金剛石砂輪磨拋加工鈦合金TC4性能，所用的金剛石砂輪參數如表1所示。通過磨削實驗，得出：磨拋溫度隨著進給速度、磨拋深度的增大而增大，隨著砂輪線速度的增大而減小；單位寬度磨拋力隨著進給速度、磨拋深度的增大而增大，隨著砂輪線速度的增大而減??；工件表面粗糙度值隨著進給速度、砂輪線速度增大而減小，Ra值均小于 0.8μm。

表1 金剛石砂輪參數

胥軍[25-26]以砂輪線速度、工作臺進給速度、磨削深度為三因素對磨削力進行正交試驗，分析磨削用量對磨削力影響的顯著性，對切向磨削力和法向磨削力正交試驗結果進行極差分析。結果表明：砂輪線速度對磨削力的影響最大，其次是磨削深度，最后是工作臺進給速度。這與普通材料磨削時結果存在差異，普通材料磨削時磨削深度對磨削力的影響最為顯著。原因是鈦合金材料磨削極易出現粘附，材料主要以滑擦、耕犁的形式去除；另外，本試驗磨削深度較小，對磨削力的影響不顯著。

吉林化工學院的呂春蘭副教授[27]通過試驗對離心研磨加工TC21的工藝參數進行優化，在使用相同粒徑(5 mm)的氧化鋁磨料、不同滾輪轉速的情況下，被磨削的TC21的表面粗糙度的變化。發現不同的轉速對加工質量有著比較大的影響。轉速為120r/min時，表面粗糙度最大，加工效果最差。轉速為300r/min時，在加工30min時，表面粗糙度最小，繼續加工，粗糙度反而增大。轉速為240r/min，加工時長為40min時，工件表面粗糙度最小。使用離心研磨工藝加工鈦合金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鈦合金是行之有效的。

郝丙君在其導師郭東明教授的指導下[28]，用大氣孔微晶剛玉砂輪磨削TC17鈦合金進行磨削實驗，探究了砂輪線速度、工件進給速度以及磨削深度對磨削溫度的影響規律，試驗磨削參數如表2所示。得出：(1)隨著砂輪線速度的提高和工件進給速度的降低，磨削溫度隨之升高。砂輪線速度增加，單位時間參與磨削的磨粒數目，磨粒與工件的摩擦擠壓作用增強，產生的熱量增加，磨削溫度升高。工件與砂輪的相對運動減慢，砂輪磨粒與工件材料接觸時間變長，熱量傳導進入工件減多，工件表面溫度升高。(2)磨削深度增加，磨削溫度明顯上升。磨削深度增加導致砂輪與工件接觸弧長變長，使得磨粒與工件的摩擦擠壓作用加劇，這也大大加強了熱源產生的磨削熱，是磨削溫度升高。(3)磨削深度對于磨削溫度影響比砂輪速度和工件進給速度更加顯著。

表2 磨削實驗參數

4 結語

目前，人們對鈦合金材料的使用需求量越來越大，要求也越來越高，鈦合金的表面質量直接制約了其在很多方面的應用。鈦合金在磨削加工中存在磨削溫度高、材料粘附等一系列問題，對于工件表面完整性有很大影響，這就對磨削鈦合金專用磨具提出了很高的要求。雖然目前國內外鈦合金磨削加工的研究不管是在配方優化還是在工藝研究以及磨削表面質量檢測已經取得了一定的進展，但是要想達到工業應用中對鈦合金材料磨削更精更細更優的要求，人們對鈦合金專用磨具的研究需要進一步加深，工藝參數需進一步的優化。在以后的研究中，努力尋求更佳磨具，優化磨削參數，豐富試驗數據，完善表面監測手段，深化理論研究。推進鈦合金材料的廣泛應用，促進相關行業的進步和發展具有重要的理論和實際意義。

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(本文文獻格式：張曉玲，徐三魁，鄒文俊，等.鈦合金專用磨具的研究進展[J].山東化工,2017,46(3):52-55.)

Research Progress of the Abrasive for Titanium

ZhangXiaoling,XuSankui,ZouWenjun,PengJin

(School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

Titanium alloy is a kind of typical difficult-to-machine materials,of which the grinding surface is prone to burn. The main reason is that the titanium alloy is easy to adhere on the surface of the grinding tools in the process of grinding,which makes the grinding tools lose effectiveness. It is a subject to be solved and of great practical importance in the production to carry out research on the grinding of titanium alloy and seek grinding tools of excellent performance and the optimal processing parameters to guarantee the quality of titanium alloy materials in grinding process. This paper introduced the present situation of the titanium alloy grinding,analyzed the phenomenon of grinding burn titanium alloy,and analyzed the existing grinding method.

titanium alloy;grinding;abrasive adhesion;grinding burns

2016-12-05

張曉玲(1990—)，女，碩士生，研究方向為樹脂結合劑CBN磨具；通訊作者：徐三魁(1967-)，博士，教授，主要從事超細功能材料，催化材料的研究。

TQ050.4+1

A

1008-021X(2017)03-0052-04