钛合金专用磨具的研究进展

张晓玲，徐三魁，邹文俊，彭 进

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

钛合金专用磨具的研究进展

张晓玲，徐三魁，邹文俊，彭 进

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

钛合金是一种典型的难加工材料，钛合金磨削加工工件表层极易发生烧伤，其主要原因是钛合金在磨削过程中极易粘附在磨具表面，使磨具失效。开展钛合金的磨削加工的研究，寻求性能优良的磨削加工工具和最优的加工参数以保证钛合金材料磨削加工的质量是生产中待解决并有着重大实际意义的课题,是国内外科研工作者研究的热点之一。本文介绍了国内外钛合金磨削加工的现状，着重分析了钛合金磨削烧伤现象，并对现有磨削方法进行分析。

钛合金；磨削；磨具粘附；磨削烧伤

钛合金是一种重要的金属材料，拥有韧性好、比强度高、耐腐蚀、高温性能好等一系列优异的特性，因此在石油化工行业、航空航天行业、建筑行业、体育用品行业、生物医用领域得到广泛应用[1-3]。钛合金在国民经济各部门广泛地得到应用，尤其在制造飞机、火箭、导弹等产品时成为不可缺少的材料。近年来，我国钛材料的需求量也在迅速增加，已成为继美国和欧洲之后的第三大钛产品消费国[4]。

在社会飞速发展的今天，科技发展和产品性能的提高，使得工业制造对钛合金零件的尺寸精度和表面粗糙度要求越来越高。而目前钛合金的磨削加工性能依然很差，磨削时存在很多难题[5-8]。钛合金优良性能的特性使之得到广泛的应用，同时也正是它的优良特性造成了钛合金材料机械加工困难，长期以来在一定程度上又制约了它的应用。

1 TC4 钛合金材料的典型物理性能

钛的外观近似于钢，呈银灰色，具有光泽。钛的密度4.51 g/cm3左右变化，Ti-6Al-4V的相变点在990℃，导热系数低，为8.79～12.98 W/(m·℃)。使用较多的钛合金材料主要是TC4，其大致成分是 Ti-6A1-4V，室温物理力学性能 σb=932MPa，σ0.2=834MPa，δ=10%，W= 30%，αk=39.24×104(J/m2)，线膨胀系数为7.89×10-6℃，硬度 HBS=320～360，E=111 GPa,λ=6.8 W/(m·℃)。TC4钛合金硬度HB>350，热导率为5.44W/(m·℃) 低于指标8倍，相对切削加工性Kr=0.25～0.38，是典型的难加工材料。

按照相组成进行分类，钛合金可分为α钛合金、近α钛合金、β钛合金及(α+β)钛合金。航空工业中使用较多的是(α+β)型钛合金，其中添加有 2%～10%的 β 稳定元素，常用的牌号有 TC4(Ti-6A1-4V)和 TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si-2Zr-0.25Fe)等[9-12]。

2 钛合金材料的磨削特性

钛合金材料的磨削加工的特性主要有[9-16]：

(1)磨削比较低，砂轮粘附严重。钛合金材料硬度比较低，材料表面摩擦性能差，极易与对磨材料发生黏着，造成砂轮表面粘附、堵塞现象(如图1所示)，使砂轮耐磨性变差。同时，随着磨削的进行，砂轮磨粒上粘附的钛合金与工件发生对磨，在磨削表面形成附着，并且造成砂轮磨损严重，磨削比急速下降。

图1 砂轮堵塞图片

(2)磨削温度较高，磨削力较大。钛合金材料的磨削过程不是一个单纯的磨粒切削工件的过程，在合金真正形成磨屑前，经历了划擦、耕犁等变化过程，且划擦过程在整个磨削过程占据很大比重，产生大量的磨削热，温度高达1000～1500℃。由于钛合金有着良好的热稳定性，其在高温情况下，依然可以保持较高的强度和硬度，故磨削力较大。同时，磨粒和合金表面的挤压过程也导致磨削力较大，法向磨削分力比磨削 45#钢大数倍，切向磨削分力大近一倍。

图2 TC4磨屑

(3)表面质量不易把控。钛合金材料在磨削过程中，易变形复杂形成层叠状挤裂切屑(如图2所示)。在磨削高温的作用下，材料表面极易与空气中的氢、氧、氮等气体发生化学反应生成TiH、TiO2、TiN等硬脆层，降低了材料塑性；磨削高温也会导致合金产生微裂纹、表层金相组织发生变化等热缺陷。高温造成的磨削烧伤，使工件表面质量变差。

3 磨具及磨削参数的选择

3.1 磨具的选择

钛合金磨削要求磨具：粘附小，磨损小，不易堵塞，磨削温度低。不同的磨料种类、磨料粒度、结合剂种类磨削钛合金，其砂轮的粘附程度不同[17]。为解决钛合金材料的磨削问题，找到合适的磨具及磨削参数国内外学者进行了大量研究探索，得到了一些有益的结论。

毛淑芳等[18]设计了磨削钛合金专用陶瓷结合剂的碳化硅磨具配方和超硬磨料的CBN磨具配方，并对这两组磨具配方进行了磨削实验分析，发现超硬磨具配方比普通磨具配方做出的砂轮磨削效果要好得多。文中还指出，碳化硅磨具配方中所用的粘土-长石-石英-硼玻璃陶瓷结合剂化学稳定性好，硼玻璃作为熔剂原料的添加，显著的提高磨具强度，改善磨削性能，此类结合剂用于碳化硅磨具制造，可显著减少工件烧伤和裂纹、提高磨削效率和磨削比。

霍文国等[19]用钎焊CBN砂轮和钎焊金刚石砂轮磨削Ti6Al4V 板材进行磨削试验，实验表明磨削过钛合金后的多层钎焊 CBN 砂轮和金刚石砂轮磨削表面无粘附(表面微观形貌如图3所示)，磨粒划痕较为均匀，这主要是因为采用钎焊烧结技术制备的超硬磨料砂轮的磨粒出刃较好，磨粒锋利，容屑空间大，钛合金不易粘附。超硬磨料砂轮磨削后的工件表层显微组织与基体的显微组织相比较，晶粒没有发生明显地变化。多层钎焊超硬磨料砂轮磨削钛合金断面的显微组织如图4所示。

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

图4 超硬磨料砂轮磨削工件表层组织

华侨大学的徐西鹏教授[20]曾深入研究树脂结合剂CBN砂轮磨削钛合金的磨削性能，研究发现CBN砂轮缓磨钛合金时能长期保持锋利的原因不是由于自锐作用，而是CBN磨料不会与钛合金发生粘附且具有良好耐磨性的缘故。CBN磨料本身具有极高的化学稳定性、它的超硬超耐磨特性与缓磨本身的低温特征所构成的最佳工艺组合是解决钛合金难磨问题的理想途径。

图5 砂带磨抛试验装置

英国诺丁汉大学的D.A.Axinte*，M.Kritmanorot 等人[21]进行了耐热钛合金的砂带磨抛研究。他们所用的抛光试验装置如图5所示。试验结果表明：砂带磨削能在一两个行程内磨掉工件上原来的加工痕迹，即使工件具有较大的表面粗糙度；砂带磨削能达到很高的表面粗糙度(Ra≤0.35μm)；抛光后工件表面没有明显的热影响区。

南京航空航天大学研究生任守良在导师徐九华的指导下[22]，从砂带磨损的角度分析了锆刚玉和黑色碳化硅两种不同磨粒砂带的磨削性能并进行试验研究：锆刚玉砂带，在磨削初期主要以破碎磨损为主，在稳定磨损阶段，以摩擦磨损和粘附磨损为主，在磨削后期主要以脱落磨损为主。而黑色碳化硅砂带，在磨削初期和稳定磨损阶段都以摩擦磨损为主，在磨削后期则以脱落和堵塞为主。表面粗糙度随砂带速度的增大而减小，随工件速度的增大而增大，随磨削深度的增大而增大。

大连理工大学的董志刚[23]使用大气孔普通气孔两种微晶刚玉砂轮采用逆磨削方式，切入式磨削，加工TC17。使用显微镜观察放大倍数为500倍的钛合金磨削表面形貌，如图6，两种砂轮磨削后的钛合金表面状况均存在沟痕和缺陷，可明显看出，大气孔微晶砂轮磨削后的钛合金表面比普通微晶刚玉磨削后的，沟痕更少，缺陷更轻，表面质量更好。

图6 钛合金典型磨削表面形貌

3.2 磨削参数的选择

韩野、崔海军[24]研究了树脂结合剂金刚石砂轮磨抛加工钛合金TC4性能，所用的金刚石砂轮参数如表1所示。通过磨削实验，得出：磨抛温度随着进给速度、磨抛深度的增大而增大，随着砂轮线速度的增大而减小；单位宽度磨抛力随着进给速度、磨抛深度的增大而增大，随着砂轮线速度的增大而减小；工件表面粗糙度值随着进给速度、砂轮线速度增大而减小，Ra值均小于 0.8μm。

表1 金刚石砂轮参数

胥军[25-26]以砂轮线速度、工作台进给速度、磨削深度为三因素对磨削力进行正交试验，分析磨削用量对磨削力影响的显著性，对切向磨削力和法向磨削力正交试验结果进行极差分析。结果表明：砂轮线速度对磨削力的影响最大，其次是磨削深度，最后是工作台进给速度。这与普通材料磨削时结果存在差异，普通材料磨削时磨削深度对磨削力的影响最为显著。原因是钛合金材料磨削极易出现粘附，材料主要以滑擦、耕犁的形式去除；另外，本试验磨削深度较小，对磨削力的影响不显著。

吉林化工学院的吕春兰副教授[27]通过试验对离心研磨加工TC21的工艺参数进行优化，在使用相同粒径(5 mm)的氧化铝磨料、不同滚轮转速的情况下，被磨削的TC21的表面粗糙度的变化。发现不同的转速对加工质量有着比较大的影响。转速为120r/min时，表面粗糙度最大，加工效果最差。转速为300r/min时，在加工30min时，表面粗糙度最小，继续加工，粗糙度反而增大。转速为240r/min，加工时长为40min时，工件表面粗糙度最小。使用离心研磨工艺加工钛合金有效消除了工件表面的加工纹理和缺陷，验证了使用离心研磨工艺加工 TC21钛合金是行之有效的。

郝丙君在其导师郭东明教授的指导下[28]，用大气孔微晶刚玉砂轮磨削TC17钛合金进行磨削实验，探究了砂轮线速度、工件进给速度以及磨削深度对磨削温度的影响规律，试验磨削参数如表2所示。得出：(1)随着砂轮线速度的提高和工件进给速度的降低，磨削温度随之升高。砂轮线速度增加，单位时间参与磨削的磨粒数目，磨粒与工件的摩擦挤压作用增强，产生的热量增加，磨削温度升高。工件与砂轮的相对运动减慢，砂轮磨粒与工件材料接触时间变长，热量传导进入工件减多，工件表面温度升高。(2)磨削深度增加，磨削温度明显上升。磨削深度增加导致砂轮与工件接触弧长变长，使得磨粒与工件的摩擦挤压作用加剧，这也大大加强了热源产生的磨削热，是磨削温度升高。(3)磨削深度对于磨削温度影响比砂轮速度和工件进给速度更加显著。

表2 磨削实验参数

4 结语

目前，人们对钛合金材料的使用需求量越来越大，要求也越来越高，钛合金的表面质量直接制约了其在很多方面的应用。钛合金在磨削加工中存在磨削温度高、材料粘附等一系列问题，对于工件表面完整性有很大影响，这就对磨削钛合金专用磨具提出了很高的要求。虽然目前国内外钛合金磨削加工的研究不管是在配方优化还是在工艺研究以及磨削表面质量检测已经取得了一定的进展，但是要想达到工业应用中对钛合金材料磨削更精更细更优的要求，人们对钛合金专用磨具的研究需要进一步加深，工艺参数需进一步的优化。在以后的研究中，努力寻求更佳磨具，优化磨削参数，丰富试验数据，完善表面监测手段，深化理论研究。推进钛合金材料的广泛应用，促进相关行业的进步和发展具有重要的理论和实际意义。

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(本文文献格式：张晓玲，徐三魁，邹文俊，等.钛合金专用磨具的研究进展[J].山东化工,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

张晓玲(1990—)，女，硕士生，研究方向为树脂结合剂CBN磨具；通讯作者：徐三魁(1967-)，博士，教授，主要从事超细功能材料，催化材料的研究。

TQ050.4+1

A

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