劉 軒，趙正彩，傅玉燦，徐九華，李志強

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2. 中國航空制造技術研究院，北京 100024）

航空渦輪風扇發(fā)動機因其推力大、耗油低、噪音小及使用壽命長等特點，從20世紀70年代開始逐步取代了航空渦輪噴氣發(fā)動機，成為軍用三代、四代戰(zhàn)機以及民用客機的主要動力裝置。鈦合金寬弦空心風扇葉片作為渦扇發(fā)動機核心部件之一，其加工精度及表面質(zhì)量是影響發(fā)動機使用性能和使用壽命的關鍵因素。該風扇葉片葉身部分面積大、加工余量較小，需進行磨拋加工[1-3]。葉片磨拋技術作為葉片制造技術中重要一環(huán)，直接決定了葉片加工的表面質(zhì)量及加工精度。鈦合金TC4（Ti-6A1-4V）性能優(yōu)越，有著較高的強度、較小的密度，且受熱情況下穩(wěn)定性好，因此被用作制作葉片的常用材料。但是鈦合金材料導熱系數(shù)低，不利于熱量散發(fā)，且易與刀具發(fā)生化學作用而導致刀具磨損，是公認的難加工材料[4-5]。在實際生產(chǎn)中，鈦合金零件磨拋加工面臨著磨拋溫度高、表面易燒傷[6]、砂輪磨損嚴重等問題[7]。因此，開展鈦合金磨拋加工試驗意義非凡。

針對鈦合金材料磨拋加工中的各種問題，大批國內(nèi)外學者開展了相關研究工作，取得了一系列成果。任敬心等[8-9]以磨削鈦合金黏附現(xiàn)象為基礎，導出了磨削力數(shù)學模型,并結(jié)合砂輪磨削機理，分析了砂輪磨損的原因； Razavi等[10]研究了鈦合金磨削中磨削力的控制；Xu等[11]開展了鈦合金磨削中砂輪磨損機理研究；唐建設[12-13]等研究了磨削燒傷機理并提出了改善措施；張紅霞[14]等開展了SG砂輪磨削鈦合金燒傷機理及溫度研究；Hooda等[15]研究了SiC砂輪磨削鈦合金的燒傷機理。

本文開展的鈦合金材料磨拋加工試驗主要考察砂輪選型（磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度、組織等）、磨拋工藝（線速度、進給速度、切深）等關鍵因素對鈦合金材料磨拋加工性（磨拋力、磨拋溫度、表面質(zhì)量、砂輪磨損）的影響，在保證工件表面質(zhì)量要求（Ra0.8μm，表面無燒傷）的前提下，提高磨拋加工的材料去除率和磨拋比，進而提高磨拋效率。試驗優(yōu)選出了適合磨拋加工鈦合金材料的砂輪及加工參數(shù)，并針對鈦合金風扇葉片進行了試驗驗證。

1 試驗條件及參數(shù)

磨削試驗在高速平面精密磨床 PROFIMAT MT 408（主軸最大功率為45kW）和臥軸矩臺平面磨床HZY150上進行,試驗采用NI USB-6211數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集；采用KISTLER 9272測力儀并輔以相應軟件進行磨削力的測量；采用半人工熱電偶法測量磨削溫度，采用熱電偶快速標定裝置進行標定，并使用計算機采集分析系統(tǒng)分析磨削溫度；使用Mahr Perthometer M1便攜式粗糙度儀測量表面粗糙度；使用HXS-1000A數(shù)顯顯微硬度計進行顯微硬度分析；使用KH-7700三維視頻顯微鏡進行金相組織顯微分析。

采用的工件材料為Ti-6A1-4V（尺寸： 60mm×5mm×40mm，磨拋面尺寸：60mm×5mm），分別采用白剛玉（WA）、單晶剛玉（SA）和NORTON SG等剛玉磨料砂輪、綠碳化硅砂輪（GC）、樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪及陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪進行磨拋試驗，磨拋方式為順磨，剛玉磨料砂輪磨拋時砂輪線速度vs取25m/s，工件速度vw取0.1～10 m/min，磨拋深度ap取 0.005～0.05mm ；其余砂輪磨拋時砂輪線速度vs取25m/s和35m/s，工件速度vw取2～10m/min，磨拋深度ap取0.005～0.05mm；修整砂輪時砂輪線速度vs取25m/s，切深ad取0.01mm，軸向進給速度fd取 200mm/min。

2 試驗結(jié)果與討論

通過分析不同砂輪磨拋時的磨拋溫度、單位寬度磨拋力、表面粗糙度以及砂輪磨損情況，優(yōu)選出最佳的砂輪型號和磨拋參數(shù)。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，使用白剛玉砂輪（WA）磨拋加工TC4時，在材料去除率大于200mm3/min（砂輪工作寬度為10mm）時工件加工表面已經(jīng)發(fā)生嚴重燒傷，且砂輪表層大面積黏附鈦屑，堵塞嚴重。故認為，此系列白剛玉砂輪（WA46）不適合鈦合金材料磨拋加工。

2.1 磨拋溫度分析

在磨削加工過程中，磨削熱嚴重影響工件加工表面完整性的各項指標，測量磨削溫度是監(jiān)測磨削過程的重要手段。

圖1顯示了單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉磨料砂輪磨拋TC4時磨拋溫度的變化。由圖1可知，兩種砂輪的磨拋溫度變化趨勢大致相同，均隨進給速度、磨拋深度增大而上升，但總體上SA砂輪磨拋加工時工件表層溫度低于SG砂輪。本試驗工藝條件范圍內(nèi)，工件加工面未發(fā)生燒傷且砂輪工作寬度為10mm時，SA、SG砂輪磨拋加工TC4的最大材料去除率為500mm3/min，此時進給速度vw取10m/min，磨拋深度ap取0.005mm，砂輪線速度vs取25m/s。其中SA砂輪磨拋時溫度變化范圍為35～350℃，SG砂輪磨拋時溫度變化范圍為72～462℃。

圖1 單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對磨拋溫度的影響Fig.1 Effect of feed rate and grinding depth on the temperature when grinding TC4 with SA and SG wheels

圖2顯示了綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時磨拋溫度的變化。由圖2可知，隨著進給速度、磨拋深度以及砂輪線速度的增大，磨拋溫度呈上升趨勢。工件表面沒有發(fā)生燒傷前提下且砂輪工作寬度為10mm時，最大材料去除率為5000mm3/min，此時進給速度vw取10m/min，磨拋深度ap取0.05mm，砂輪線速度vs取25m/s。試驗中，砂輪線速度vs為25m/s時，磨拋溫度變化范圍為207～496℃；砂輪線速度vs為35m/s時，磨拋溫度變化范圍為248～742℃。當砂輪線速度vs為35m/s，磨拋深度ap為0.05mm，進給速度vw大于2m/min或進給速度vw為10m/min，磨拋深度ap大于0.02mm時，磨拋溫度大于500℃，工件表面發(fā)生燒傷；vs為25m/s時，所用用量條件下磨拋溫度均小于500℃，工件表面未見燒傷。

圖3顯示了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時磨拋溫度的變化。隨著進給速度、磨拋深度以及砂輪線速度的增大，磨拋溫度呈上升趨勢。試驗參數(shù)內(nèi)，砂輪工作寬度為10mm時，該砂輪磨拋加工TC4最大材料去除率為2000mm3/min，此時進給速度vw取10m/min，磨拋深度ap取0.02mm，砂輪線速度vs取25m/s。

綜上所述，幾種型號砂輪磨拋鈦合金時，磨拋溫度均隨著進給速度、磨拋深度增大而增大。單純以材料去除率為標準，綠碳化硅砂輪、陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪均可用以磨拋鈦合金，其中，綠碳化硅砂輪相較CBN砂輪表現(xiàn)出更強的加工能力。

圖2 綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對磨拋溫度的影響Fig.2 Effect of feed rate and grinding depth on the temperature when grinding TC4 with GC wheel

圖3 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對磨拋溫度的影響Fig.3 Effect of feed rate and grinding depth on the temperature when grinding TC4 with CBN wheel

2.2 單位寬度磨拋力分析

磨拋力是磨拋加工過程中一個極為重要的物理量，磨拋過程中的很多基本特征都可以通過磨拋力來反映。

圖4為單晶剛玉和NORTON SG剛玉磨料砂輪磨拋TC4時單位寬度磨拋力的變化。由圖4可知，兩種砂輪磨拋力變化趨勢基本一致，均隨著進給速度和磨拋深度的增大呈上升趨勢，且法向磨拋力大于切向磨拋力。SG砂輪的磨拋力小于SA砂輪。試驗參數(shù)內(nèi)，SG砂輪法向和切向力變化范圍分別為1.6～7.7N/mm和0.8～3.8N/mm；SA砂輪分別為1.9～10N/mm和0.6～4.6N/mm。根據(jù)砂輪磨損量和材料去除量，計算出SA和SG砂輪磨拋TC4磨拋比分別約為1.8和2.1。

圖5為綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時不同砂輪線速度下進給速度和磨拋深度對單位寬度磨拋力的影響。由圖5可知，磨拋力隨進給速度和磨拋深度的增大呈上升趨勢。當砂輪線速度為25m/s時，綠碳化硅砂輪單位寬度切向磨拋力和法向磨拋力變化范圍分別為5.1～13.9N/mm和5.28～34.85N/mm；當砂輪線速度為35m/s時，砂輪單位寬度切向磨拋力和法向磨拋力變化范圍分別為5.32～10.07N/mm和11.23～31.03N/mm。根據(jù)砂輪磨損量和材料去除量，計算出GC46砂輪磨拋TC4磨拋比約為2.5。

圖6為陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對單位寬度磨拋力的影響。由圖6可知，單位寬度磨拋力隨著進給速度、磨拋深度和砂輪線速度的增大均呈現(xiàn)上升趨勢。試驗參數(shù)內(nèi)，法向力和切向力變化范圍為2.12 ～17.18N/mm和1.09～8.36N/mm。根據(jù)砂輪磨損量和材料去除量，計算出陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4磨拋比約為4。

綜上所述，幾種型號砂輪磨拋鈦合金時，單位寬度磨拋力均隨著進給速度、磨拋深度增大而增大,相同條件下，綠碳化硅砂輪磨拋鈦合金的磨拋力大于陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪。單純以磨拋比為標準，陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪優(yōu)于綠碳化硅砂輪與剛玉砂輪。

圖4 單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對磨拋力的影響Fig.4 Effect of feed rate and grinding depth on the force when grinding TC4 with SA and SG wheels

圖5 綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對磨拋力的影響Fig.5 Effect of feed rate and grinding depth on the force when grinding TC4 with GC wheel

2.3 表面粗糙度分析

磨拋加工中，工件表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量的重要指標，與零件的精度密切相關。

圖7為單晶剛玉和NORTON SG剛玉磨料砂輪磨拋TC4時工件表面粗糙度與進給速度、磨拋深度的關系。在本文所選參數(shù)范圍內(nèi)，兩種砂輪磨拋工件表面粗糙度Ra均小于0.45μm，滿足加工要求。

圖8顯示了綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時工件表面粗糙度的變化。由圖8（a）可知，隨著進給速度增大，工件表面粗糙度值隨之增大，但Ra值均小于0.8μm。由圖8（b）可知，隨著磨拋深度的增大，粗糙度值變化不明顯，且Ra值小于0.8μm。工件表面粗糙度值隨著砂輪線速度的變化不明顯。

圖9顯示了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時工件表面粗糙度的變化。由圖9（a）可知，進給速度增大，表面粗糙度值減小，且小于0.8 μm。由圖9（b）可知，隨著磨拋深度的增大，表面粗糙度值變化不明顯，且Ra值小于0.8μm。

綜上所述，幾種型號砂輪磨拋鈦合金時，工件表面粗糙度均隨著磨拋深度增大在小范圍內(nèi)波動。本文參數(shù)范圍內(nèi)，幾種型號砂輪磨拋時工件表面粗糙度均控制在0.8μm以內(nèi)。

圖6 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對磨拋力的影響Fig.6 Effect of feed rate and grinding depth on the force when grinding TC4 with CBN wheels

圖7 單晶剛玉（SA）和NORTON SG剛玉砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of feed rate and grinding depth on the roughness when grinding TC4 with SA and SG wheels

圖8 綠碳化硅（GC）砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed rate and grinding depth on the roughness when grinding TC4 with GC wheel

2.4 砂輪磨損分析

如圖10（a）、（b）所示，SA、SG 砂輪磨拋鈦合金TC4，砂輪表面黏附較少，輕微堵塞。如圖10（c）所示，GC砂輪磨拋鈦合金時黏結(jié)少，不易堵塞，這主要是因為綠碳化硅磨料硬而脆，具有更鋒銳的切削刃。圖10（d）為新修后的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋加工TC4后砂輪磨損情況，砂輪表面部分磨粒輕微磨損，黏附鈦屑現(xiàn)象不明顯。

圖9 陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨拋TC4時進給速度和磨拋深度對表面粗糙度的影響Fig.9 Effect of feed rate and grinding depth on the roughness when grinding TC4 with CBN wheel

圖10 砂輪磨損狀態(tài)Fig.10 Grinding wheel wear

3 鈦合金風扇葉片加工驗證

根據(jù)上文對鈦合金磨拋加工性能研究結(jié)果，開展了鈦合金風扇葉片磨拋加工驗證試驗。試驗在MTS 1600-500-6NC六軸砂帶磨床上進行，砂帶選用美國3M-461F型砂帶，根據(jù)上文研究結(jié)果，選用綠碳化硅磨料，磨料粒度46#，試驗對象為鈦合金風扇葉片；工件工裝如圖11所示。考慮鈦合金風扇葉片葉身砂帶磨削加工精度及表面質(zhì)量要求，試驗分為粗、精加工，粗加工選用砂帶轉(zhuǎn)速S=3600r/min，進給速度f=2400mm/min, 壓力P=20kg；精加工選用砂帶轉(zhuǎn)速S=3600r/min，進給速度f=4200mm/min, 壓力P=15kg。

試驗結(jié)果表明，工件表面無燒傷，表面粗糙度在0.8μm以下；粗加工時一條砂帶可加工一整片葉片砂帶磨拋加工，加工區(qū)域面積約800mm×400mm×2，精加工時一條砂帶可加工兩片葉片砂帶磨拋加工，加工區(qū)域面積約800mm×400mm×4。

圖11 鈦合金葉片夾具Fig.11 Fixture of titanium alloy fan blade

4 結(jié)論

本文開展了鈦合金材料磨拋加工性能試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）普通磨料砂輪GC46L10V（粒度46#）適合磨拋加工鈦合金材料TC4，最佳用量為vs=25m/s，vw=10m/min，ap=0.05mm，工作寬度為10mm時材料去除率達到5000mm3/min，磨拋比為2.5，表面粗糙度Ra為0.45～0.75μm。

（2）陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪適合磨拋加工鈦合金材料 TC4，最佳用量為vs=25m/s，vw=10m/min，ap=0.02mm，材料去除率達到2000mm3/min，磨拋比為4，表面粗糙度Ra為 0.3～0.6μm。

（3）綠碳化硅磨料砂帶適合磨拋加工鈦合金葉片，最佳用量為粗加工砂帶轉(zhuǎn)速S=3600r/min，速給速度f=2400mm/min，壓力P=20kg；精加工S=3600r/min，f=4200 mm/min,P=15kg，表面粗糙度在0.8μm以下。

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