工艺参数对cBN砂轮加工TC4钛合金磨削性能的影响

陈日月，刘小磐，张先桂，孔伟兵，高朋召

(1.广东省轻工业技师学院，广东 广州 510300； 2.湖南大学 材料与工程学院，湖南 长沙 410082)

前 言

TC4钛合金其名义成分为Ti6Al4V，马氏体α+β型钛合金，高铝当量(铝当量6)。密度为4.5g/cm3，抗拉强度大于850MPa，具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性等一系列优点，广泛应用于航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等部门[1]。TC4本身表面硬度不高，HRC30左右。但是当采用传统的刚玉砂轮对TC4工件进行磨削加工时，磨削热量会使材料表面被氧化、氮化和碳化，会形成一氧化钛、二氧化钛、碳化钛和氮化钛的混合表皮，该混合表皮的硬度非常高，其中TiC和Ti3N4的HRC硬度都超过了65，所以传统的刚玉砂轮很难加工TC4钛合金[2]。

立方氮化硼(cBN)是所有材料中硬度仅次于金刚石的物质，它具有热导率高，化学稳定性好，红硬性高等特点。用人工合成的cBN颗粒和陶瓷结合剂制备的陶瓷结合剂cBN砂轮，具有弹性模量高、化学性质稳定、磨削效率高，磨削质量好等特点，特别适用于黑色金属材料的成型磨削和抛光。目前有研究者尝试性地研究了陶瓷结合剂cBN砂轮加工TC4钛合金，初步的实验结果表明，cBN砂轮磨削TC4钛合金时其磨削效率和工件表面质量远远高于刚玉砂轮加工的零件[3-4]。但是系统地研究工艺参数对陶瓷结合剂cBN砂轮加工TC4钛合金磨削性能影响的报道目前还未见。

实验采用自制的陶瓷结合剂cBN砂轮对TC4钛合金棒型零件进行了外圆磨削，探讨了砂轮的工作转速、砂轮进刀量和砂轮的修整周期对cBN砂轮磨削性能的影响，为开发高质量的TC4钛合金零件加工工艺提供了理论参考。

1 实验

陶瓷结合剂cBN砂轮制备流程如图1所示：

图1 陶瓷结合剂cBN砂轮生产工艺流程Fig.1 Preparation process of vitrified-bond diamond wheels

先将按配方称取的cBN磨料(120/140#，河南富耐克991型磨料)和结合剂置于研钵中，再加入适量润湿剂和临时粘结剂充分混合、过筛。将混好的成型料在压机上用30MPa压力压制成相应尺寸的砂轮坯体，再按一定顺序脱模，获得砂轮坯体。将砂轮坯体室温下干燥6h后，在烘箱内70℃下干燥24h。再将砂轮放入箱式电阻炉中以3℃/min的速度升温至800℃保温2小时后随炉冷却获得砂轮烧结体。再将烧结体采用环氧胶粘接于40Cr基体上，再用金刚石滚轮对砂轮外圆和端面进行加工，获得磨削实验用砂轮样品。

砂轮的规格为1A1455×27×202×5，工作平台为德国Walter400combi型外圆磨削加工中心，最高转速3500r/min，冷却介质为水。磨削工件为TC4圆棒，棒体尺寸Φ16×80mm，单边磨削量0.3mm。

砂轮在某一参数下稳定工作后，磨削0.5h，通过加工中心横向坐标的变化，算出金刚石砂轮的消耗体积Vw，通过计算加工的钛棒数量，算出磨削掉的钛棒的体积Vs，用Vs除以Vw，算出砂轮在该工艺参数下相对于钛棒的磨耗比G。砂轮在某一参数下稳定工作后，读出机床的输出功率，将功率除以砂轮的转速，即获得砂轮工作时所承受的切向磨削力。砂轮磨削加工后，将TC4钛棒浸泡在无水乙醇中超声清洗1h，干燥后采用上海伦捷机电仪表有限公司SRT-6200手持式粗糙度测量仪测量钛棒3处不同地方的表面粗糙度，取其平均值为钛棒粗糙度值。

2 实验结果与讨论

2.1 砂轮工作速度对砂轮磨削性能的影响

在进刀量为0.3mm/min的条件下，通过改变磨削中心主轴的转速考察了砂轮在不同工作速度下的磨削性能(表1)。实验结果表明随着砂轮工作速度的提高，砂轮加工后的钛棒表面粗糙度数值Ra下降，磨耗比提高，砂轮磨削时的切向磨削力下降。

表1 不同工作速度下陶瓷结合剂cBN砂轮的磨削性能

图2为cBN砂轮不同工作速度加工出的钛棒表面，当cBN砂轮径向进刀量恒定时，砂轮工作速度越快，砂轮单圈进刀量越小，磨料单圈切入钛棒深度越小。显微照片表明,当砂轮的工作速度为30m/s时，砂轮在钛棒表面产生的磨削槽宽度较宽，说明cBN磨粒切入TC4钛棒深度较深；当砂轮工作速度为60m/s时，TC4表面的磨削槽更加细密，表明磨粒切入较浅。

图2 cBN砂轮不同工作速度加工出的钛棒表面Fig.2 TC4 surfaces processed by CBN wheels at different speedsa.30m/s; b.60m/s

当砂轮工作稳定时，磨床主轴电机的输出功率基本为一定值，此时砂轮磨削所产生的切向磨削力也基本恒定，根据作用力与反作用力原理，砂轮的磨削力应该等于磨粒在磨削时对钛棒表面产生的剪切应力，假设单颗磨粒一个磨削周期只产生一条切屑，则砂轮的磨削力为[5]：

Ft=nδ0aε

(1)

式中:Ft为砂轮的切向磨削力；n为参加磨削的磨粒数，与磨料尺寸和磨料浓度有关；a为磨屑的截面积；δ0为TC4钛棒的抗剪切强度；ε为形状因子在0.25～0.4之间。由式(1)得出，相同的砂轮，工作速度提高后，磨屑的截面积减小，所以砂轮切向磨削力Ft随着砂轮工作速度的提高而下降，该理论推导与表1测试的磨削力随砂轮工作速度改变而变化的趋势也符合较好。

图3为当砂轮工作速度为60m/s时，砂轮进刀量对砂轮磨耗比的影响，实验数据表明：当cBN砂轮进刀量小于0.2mm/min时，砂轮的进刀量对磨耗比影响很小；当进刀量大于0.2mm/min时，随着砂轮进刀量的增加，砂轮的磨耗比迅速下降。

图3 砂轮进刀量对砂轮磨耗比的影响Fig.3 Effects of wheel cutting depth on grinding ratio

cBN砂轮在磨削过程中的损耗形式主要为cBN磨料的破碎与脱落，所以砂轮的磨耗比实际上决定于磨料的损耗速度，损耗速度越快砂轮磨耗比越低[6]。对于同一片砂轮在相同的磨削速度和冷却条件下，磨料的损耗速度主要与砂轮所承受的磨削力有关，图4为砂轮进刀量对砂轮切向磨削力的影响。图4显示，随着进刀量的增加，砂轮所承受的切向磨削力增大，但是当进刀量小于0.2mm/min时，随着进刀量的增加，砂轮切向磨削力增加幅度较小；当进刀量大于0.2mm/min时，随着进刀量的增加，砂轮切向磨削力快速增加。因为是同一片砂轮，cBN磨料的抗剪切强度一定，当砂轮切向磨削力增大后，cBN磨料更易破碎消耗，所以砂轮的磨耗比下降。

图4 砂轮进刀量对砂轮切向磨削力的影响Fig.4 Effects of wheel cutting depth on the tangential grinding force

图5为不同进刀量下的砂轮工作面形貌。当进刀量为0.1mm/min时，砂轮的工作面出现了明显的磨料破碎现象，此时磨料在磨削热和冷却液的交替作用下由于热应力破碎为小块脱落，磨削刃的露出高度较低，整个砂轮的工作面较为平整，在较小进刀量下，磨削刃切入砂轮深度也较浅，所以磨削力较小，磨料脱落速度也较慢，磨耗比较高。当进刀量为0.4mm/min时，砂轮的工作面出现了较多的碎片，部分碎片上有烧结气孔的痕迹，可以断定为结合剂的碎片[7]，与破碎结合剂相临的磨料也有整颗脱落的现象。该显微结构表明，cBN砂轮随着进刀量的增加，结合剂所承受的应力增加，当应力强度超过结合剂强度时，磨料间的结合剂桥断裂，砂轮的损耗形式由磨料破碎脱落转变为磨料整粒脱落，随着磨料脱落形式的转变，磨削面上磨削刃的露出高度大幅度增加，在大进刀量条件下，磨削刃切入工件的深度也会有一个突然的变大，所以对应磨削力也有一个跳跃式上升，而磨耗比则随着进刀量增大而快速下降。

图5 cBN砂轮不同进刀量下工作面形貌进刀量Fig.5 SEM image of 1# wheel under different cutting depthsa. 0.1mm/min; b. 0.4mm/min

进刀量对加工工件表面粗糙度的影响如图6所示。对于cBN砂轮，进刀量对磨削后TC4工件的表面粗糙度影响不大，随进刀量增大，工件轮廓算术平均偏差(Ra)波动较小，不平度十点高度(Rz)呈缓慢递增趋势。进刀量小时，加工工件的表面质量优于大进刀量下加工的工件。这主要是因为，当进刀量较小时，cBN磨料的失效方式以破碎为主，工作面上磨料的露出高度较低，因此加工出的工件表面粗糙度较好；当进刀量较大时，cBN磨料的失效方式却以脱粒为主，此时工件的表面粗糙度由磨料粒度决定，加工出的工件表面粗糙度较大。

磨削过程中，工件的表面粗糙度取决于磨料切入工件的深度[8]。如图6所示，当进刀量较小时，磨料的失效方式以破碎为主，工作面上磨料的露出高度较低，因此加工出的工件表面粗糙度较好；当进刀量较大时，cBN磨料的失效方式以脱粒为主，此时工件的表面粗糙度由磨料粒度决定，cBN砂轮加工出的工件表面粗糙度较大。

图6 砂轮进刀量对加工后TC4工件表面粗糙度影响Fig.6 Effects of wheel cutting depth on surface roughness of processed TC4 workpieces.

3 结论

陶瓷结合剂cBN砂轮能够加工TC4钛合金工件，cBN砂轮的工作参数对砂轮的磨削性能有较大的影响。当进刀量恒定时，随着砂轮转速的提高，砂轮的磨耗比上升，砂轮承受的磨削力和加工工件的表面粗糙度值Ra下降。当砂轮转速恒定，随着砂轮进刀速率的增大，砂轮的磨耗比下降，砂轮承受的磨削力和加工工件的表面粗糙度值Ra上升。当砂轮工作速度为60m/s，进刀量为0.3mm/min时，cBN砂轮对TC4钛棒的磨耗比为1004，砂轮承受切向磨削力为207N，加工后的TC4钛棒的表面粗糙度为Ra0.28μm。