劉 偉 鄧朝暉 黃宇岑

(1 湖南科技大學智能制造研究院,湘潭 411201)(2 湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室,湘潭 411201)

TC4鈦合金高速外圓磨削表面完整性實驗

劉 偉1,2鄧朝暉1,2黃宇岑1

(1 湖南科技大學智能制造研究院,湘潭 411201)(2 湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室,湘潭 411201)

文 摘 為充分發(fā)揮鈦合金的優(yōu)良性能，以TC4為研究對象進行高速外圓磨削實驗，分析外圓磨削工藝參數(shù)對工件表面完整性的影響規(guī)律。結果表明：工件亞表面未出現(xiàn)變質層；隨著砂輪線速度提高，表面質量提高；隨著工件轉速提高，表面劃痕明顯；隨著磨削深度增加，出現(xiàn)表面燒傷現(xiàn)象，并且磨削深度對表面完整性的影響程度最大；磨削力與磨削溫度對表面硬度的影響是正相關的，且磨削力對表面硬度的影響程度較大。因此可以通過選擇合理的工藝參數(shù)來保證較大的材料去除率與較好的工件表面質量，為TC4鈦合金高速外圓磨削提供指導。

鈦合金，高速外圓磨削，實驗研究，表面完整性

0 引言

鈦合金密度小、熱穩(wěn)定性好、低溫強度高，力學性能與耐蝕性能好，因而經常被用于軍工、航空航天、航海、醫(yī)學、化工等領域[1-2]。隨著科技不斷發(fā)展，各種精密零部件需求增加，其加工精度、服役性能等要求很高，必須通過磨削加工來滿足要求[3]。鈦合金由于比強度高、彈性模量低、熱導率低等材料特性，其磨削加工性能較差，工件表層易發(fā)生因磨削力、磨削溫度綜合作用而導致的表面形貌、表層組織和硬度分布等變化，嚴重時會出現(xiàn)燒傷、裂紋等熱損傷，影響工件的使用性能；同時鈦合金磨削加工過程中砂輪容易堵塞和粘附，導致砂輪表面嚴重磨損，使其使用壽命縮短[4-7]。這些問題阻礙了鈦合金的廣泛應用。

近年來，高速/超高速磨削加工技術快速發(fā)展，它在保證工件加工質量的基礎上實現(xiàn)加工效率的提高，極大地推動了傳統(tǒng)加工行業(yè)的發(fā)展。高速磨削時，磨粒與工件的接觸時間短，使得工件材料產生極高的應變，塑性變形減小，對于黏性金屬和脆性金屬等難加工材料能夠實現(xiàn)高質量加工[8]。

針對鈦合金磨削存在的問題，眾多學者在其磨削工藝方面做了積極研究。TEICHER等[9]分析了磨削液對TC4鈦合金磨削的磨削力、切屑形成和砂輪磨損的影響，指出采用油性或堿性磨削液能得到良好的工件表面質量。胥軍等[3]通過鈦合金TC4-DT的磨削實驗發(fā)現(xiàn)，低速磨削下其表面質量好；高速磨削時工件表面質量出現(xiàn)波動，需要選擇合理的工藝參數(shù)來避免燒傷和裂紋等缺陷。俞興華等[10]分析了TC4鈦合金高速磨削中磨削力、磨削溫度的變化規(guī)律，并討論了工藝參數(shù)對工件表面質量的影響規(guī)律。田霖等[11]開展了TC4鈦合金的高速磨削實驗，分析了單顆磨粒最大未變形切屑厚度對磨削力、磨削比能以及磨削溫度的影響。朱大虎等[8]進行了TC4鈦合金的高速外圓磨削實驗，分析了磨削力、磨削力比、比磨削能等隨比磨除率的變化規(guī)律，探討了工件表面粗糙度、表面殘余應力的主要影響因素。雖然國內外學者在鈦合金磨削領域取得了一些進展，但還不夠系統(tǒng)深入，尤其是其高速外圓磨削方面的研究較少。本文針對鈦合金TC4進行高速外圓磨削加工研究，探究砂輪線速度、工件轉速、磨削深度等對磨削力、磨削溫度、表面粗糙度以及加工硬化的影響規(guī)律，并對工件表面形貌及亞表面金相組織結構進行觀測，較為系統(tǒng)全面的分析高速外圓磨削工藝參數(shù)對工件表面完整性的影響。

1 實驗

1.1 材料

采用TC4鈦合金，其合金元素主要為Al和V，Al為α穩(wěn)定化元素，V具有β穩(wěn)定化作用，能夠提高材料強度并保證良好的熱穩(wěn)定性和塑性。其主要性能：彎曲強度為965 MPa;屈服強度為895 MPa;硬度為305 HV。高速外圓磨削工件如圖1所示，其外徑、內徑、寬度分別為60、32、20 mm。

圖1 TC4工件

1.2 實驗設備

在具有外圓磨削附件的數(shù)控高速復合磨床CNC8325上進行，實驗系統(tǒng)如圖2所示。砂輪采用粒徑75/80 μm、濃度175%的陶瓷結合劑CBN砂輪，砂輪直徑與寬度分別為400與25 mm。實驗過程中，通過外圓磨削測力儀SDC-CG2、紅外熱成像儀FLIR-SC325在線實時測量磨削力、磨削溫度。外圓磨削測力儀的測頭替換磨床尾架的頂尖，紅外熱成像儀的攝像頭對準砂輪與工件磨削時的接觸位置，通過自制固定架定位在磨床尾架上方，如圖2所示。磨削后的工件根據(jù)實測磨削溫度曲線圖，選取最高溫度對應的工件區(qū)域，通過電火花線切割方式沿垂直于加工面截取2 mm厚的材料制作金相試樣。采用粗糙度測量儀Marsurf M300測量工件外圓面表面粗糙度，采用超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-500FE檢測工件外圓面形貌與金相試樣亞表面形貌，使用顯微硬度計HVS-1000檢測工件外圓面硬度。

圖2 高速外圓磨削實驗系統(tǒng)

1.3 實驗方案

實驗采用高速切入式逆磨，為便于磨削溫度測量不加冷卻液。實驗中砂輪線速度vs、工件轉速nw、磨削深度ap取值如表1所示。

表1 磨削實驗參數(shù)取值

為了減少磨削實驗次數(shù)，保證實驗的有效性，采用正交實驗法設計該三因素四水平的實驗方案。選用5因素4水平的標準正交表L16(45)，三因素分別占據(jù)正交表的前3列，后兩列取空，如表2所示。

表2 高速外圓磨削正交實驗方案與結果

2 結果與分析

2.1 磨削力與磨削溫度

2.1.1 磨削力

外圓磨削時，其軸向力相對很小，可以不考慮。TC4高速外圓磨削正交實驗測量得到的切向力Ft、法向力Fn的變化關系如圖3所示，其中直線為圖中各點擬合而成的趨勢線,該直線的擬合誤差較小，切向力與法向力之間存在一定的線性對應關系。

圖3 切向力與法向力關系圖

TC4高速外圓磨削正交實驗的切向力、法向力極差分析如圖4、圖5所示，可知切向力、法向力均隨砂輪線速度的提高而逐漸減小，隨工件轉速、磨削深度的提高而逐漸增大。隨著砂輪線速度提高，砂輪表面有效磨粒的未變形切屑厚度減小，使得切向力和法向力減小。隨著工件轉速提高，單位時間去除材料增多，使得切向力和法向力增大。隨著磨削深度增加，砂輪表面有效磨粒的未變形切削厚度增大，同時參與磨削的有效磨粒數(shù)增多，使得切向力和法向力增大。

在TC4高速外圓磨削中，可以采用較大的砂輪線速度，適當提高工件轉速、磨削深度來獲得較大的材料去除率，保證磨削力基本不變。

2.1.2 磨削溫度

選取紅外熱成像儀FLIR-SC325測得的溫度曲線中最高溫度作為TC4高速外圓磨削溫度，其極差分析如圖6所示，可知磨削溫度隨工件轉速的提高而逐漸降低，隨砂輪線速度、磨削深度的提高而逐漸升高。磨削深度對TC4高速外圓磨削溫度的影響最大。

圖6 磨削溫度極差分析圖

隨著砂輪線速度提高，一方面磨削功率消耗增加，材料去除率不變，使得更多的能量轉化成熱能；另一方面磨削區(qū)單位時間通過的磨粒數(shù)增多，摩擦作用加劇，產生更多的熱量；從而使得磨削溫度升高。隨著工件轉速提高，磨粒的切削時間變短，單位面積材料與砂輪表面的接觸時間縮短，進入工件內部的熱量會減少，從而使得磨削溫度降低。隨著磨削深度提高，一方面砂輪磨削性能降低，更多的能量被消耗在磨削加工的滑擦與耕犁階段而轉化成熱能；另一方面接觸弧長增大，散熱條件不良，從而使得磨削溫度升高。在TC4高速外圓磨削中，要控制磨削溫度并保證加工效率，可以適當提高砂輪線速度和工件轉速，保持適中的磨削深度。

2.2 表面完整性分析

2.2.1 表面粗糙度

TC4高速外圓磨削正交實驗的表面粗糙度極差分析如圖7所示，可知表面粗糙度隨砂輪線速度的提高而逐漸減小，隨工件轉速、磨削深度的提高而逐漸增大。

隨著砂輪線速度提高，砂輪表面有效磨粒的未變形切削厚度降低，工件表面塑性隆起減小，使得表面粗糙度減小。隨著工件轉速、磨削深度提高，單位時間材料去除率增加，材料塑性變形增大，使得表面粗糙度增大。

圖7 表面粗糙度極差分析圖

2.2.2 表面形貌

TC4高速外圓磨削正交實驗中，幾組典型的工件表面形貌如圖8所示。

根據(jù)TC4高速外圓磨削的工件表面粗糙度與表面形貌結果可知：第11組實驗的工件表面粗糙度最小，為0.872 μm，其表面質量較好，只有極少數(shù)劃痕，無明顯加工缺陷和燒傷痕跡，如圖8 (c)所示；第8組實驗的工件表面粗糙度較低，表面質量也相對較好，如圖8 (b)所示；第2組實驗的工件表面粗糙度最大，為1.212 μm，其表面劃痕明顯，塑性隆起比較嚴重，有明顯的加工缺陷，如圖8 (a)所示；第13組實驗的工件表面粗糙度較小，但是磨削溫度最大，為419.6℃，表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，如圖8 (d)所示。對于TC4高速外圓磨削，砂輪線速度較低時，砂輪表面有效磨粒的未變形切削厚度較大，使得工件表面劃痕較明顯；砂輪線速度較高時，工件表面質量較好。

圖8 表面形貌圖

2.2.3 表面硬度

TC4高速外圓磨削正交實驗的表面硬度極差分析如圖9所示，可知表面硬度隨砂輪線速度的提高而逐漸減小，隨工件轉速、磨削深度的提高而逐漸增大。

圖9 表面硬度極差分析圖

綜合TC4高速外圓磨削中工藝參數(shù)對磨削力、磨削溫度、表面硬度的影響可知，隨著砂輪線速度提高，其磨削力減小、磨削溫度升高，表面硬度減小。隨著工件速度提高，其磨削力增大、磨削溫度降低，表面硬度增大。隨著磨削深度提高，其磨削力增大、磨削溫度升高，兩者綜合作用使得表面硬度增大，且其影響程度最大。進一步分析發(fā)現(xiàn)，TC4高速外圓磨削中，磨削力與磨削溫度對表面硬度的影響是正相關的，且磨削力的影響程度較大；其原因是TC4的相變溫度約為1 000℃[12]，而磨削溫度遠低于該值，材料組織變化較少。

2.2.4 亞表面金相組織

TC4高速外圓磨削正交實驗中，選取磨削力、磨削溫度都比較大的兩組實驗工件進行亞表面金相組織觀察,如圖10所示。

圖10 亞表面金相組織圖

由圖10可知，工件表面存在一層厚度較薄的致密層，使得表面硬度相比基體硬度略有增大；第7組工件亞表面存在拉長α組織和α+β組織，第15組工件亞表面存在典型網籃組織以及α+β組織，均屬于TC4的正常金相。在亞表面區(qū)域，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯變質層，其原因是TC4的磨削溫度遠低于相變溫度。因此可以推斷其他工件亞表面也均未出現(xiàn)變質層。

3 結論

(1)隨著砂輪線速度提高，其磨削力減小、磨削溫度升高，表面粗糙度與表面硬度減小，表面質量提高。隨著工件轉速提高，其磨削力增大、磨削溫度降低，表面粗糙度與表面硬度增大，表面劃痕明顯，有明顯的加工缺陷。隨著磨削深度提高，其磨削力增大、磨削溫度升高，兩者綜合作用使得表面粗糙度與表面硬度增大，部分表面如第2和13組實驗的工件外圓表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。其中磨削深度對表面完整性的影響程度最大。

(2)磨削力與磨削溫度對表面硬度的影響是正相關的，且磨削力對表面硬度的影響程度較大；其原因是TC4的高速外圓磨削溫度遠低于材料的相變溫度1000 ℃，材料組織變化較少，主要為拉長α組織、網籃組織和α+β組織等TC4的正常金相，工件亞表面未出現(xiàn)變質層。

因此在鈦合金TC4高速外圓磨削中，可以采用較大的砂輪線速度，適當提高工件轉速，保持適中的磨削深度來獲得較大的材料去除率，同時保證較好的工件表面質量。

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Experimental on Surface Integrity of Titanium Alloy TC4 by High Speed Cylindrical Grinding

LIU Wei1,2DENG Zhaohui1,2HUANG Yucen1

(1 Intelligent Manufacturing Institute, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201) (2 Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201)

To maximize using the excellent material performance of titanium alloy, the high speed cylindrical grinding experiment was studied to the influences of cylindrical grinding parameters on surface quality of TC4. The results show that there is no metamorphic layer on the sub-surface of the workpiece. As the grinding wheel speed increases, the surface quality increases. As the workpiece speed increases, the surface scratches are obvious. As the grinding depth increases, some surface burns exist, and the grinding depth has the greatest impact on the surface integrity. The grinding force and grinding temperature have positive influence on the surface hardness, and the grinding force has a greater impact on the surface hardness. Therefore, reasonable cylindrical grinding parameters can be chosen to ensure greater material removal rate and good surface quality. It will provide guidance for the high speed cylindrical grinding of titanium alloy TC4, to promote its application in industry areas.

Titanium alloy，High speed cylindrical grinding，Experimental research，Surface integrity

2016-11-02

國家科技支撐計劃課題(2015BAF23B01);國家自然科學基金(51505144);湖南科技大學博士科研啟動基金(E51658);難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室開放基金(E21539)

劉偉，1986年出生，博士，講師，研究方向為難加工材料高效精密加工。E-mail：lw1986tiger@163.com

TG580

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.015