梁巧云， 單 坤， 李兆瑞， 鄒 萊， 黃 云

(1. 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司， 沈陽(yáng) 110043) (2. 重慶大學(xué)， 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

鈦合金的密度小、強(qiáng)度高，擁有良好的耐熱性和耐腐蝕性，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤的重要材料之一[1]。由于鈦合金具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、化學(xué)親和性大等特點(diǎn)，是一種典型的難加工材料[2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片剛性差，葉片型變截面、彎扭特性復(fù)雜，其精密磨削難度極大。砂帶磨削適應(yīng)性強(qiáng)、工藝靈活性好，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為航發(fā)鈦合金葉片精密磨削及拋光的有效加工手段[3-4]。但是在航發(fā)葉片磨削過程中的砂帶磨損使得葉片的磨削質(zhì)量和產(chǎn)品一致性難以保證，嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能。

金剛石砂帶是一種新型超硬材料涂附磨具，耐磨性好，廣泛應(yīng)用于光學(xué)玻璃、特種陶瓷、復(fù)合材料等硬脆材料的精密磨拋加工，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)開始應(yīng)用于航發(fā)葉片的精密磨削中[5-6]。但目前關(guān)于航發(fā)鈦合金葉片磨削過程中的金剛石砂帶磨損的研究非常少，因此研究鈦合金金剛石砂帶磨削磨粒磨損具有十分重要的意義。

針對(duì)金剛石工具的磨損原因，部分學(xué)者指出：在黑色金屬、鈦合金和鎳基高溫合金的加工中，金剛石工具中的碳元素和工件材料中的鐵、鈦、鎳等元素在加工過程的高溫作用下，容易發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致金剛石工具的磨損[7-9]。LI 等[10]指出在加工過程中的高溫作用下，工件材料中游離的鈦原子在金剛石的石墨化磨損過程中起到金屬催化劑的作用。ZOU等[11]指出加工過程中金剛石產(chǎn)生的石墨化轉(zhuǎn)變、氧化反應(yīng)等物理化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高更容易發(fā)生且更加劇烈，同時(shí)在鐵原子催化作用下，在較低的溫度(500 K)下即可發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

這些研究為尋找金剛石工具的磨損原因提供了參考，但是不能直接解釋金剛石砂帶在磨削過程中的磨損。因此，進(jìn)行鈦合金-單顆金剛石磨粒磨削過程仿真，開展鈦合金葉片金剛石砂帶磨削試驗(yàn)，分析磨削速度對(duì)磨削過程溫度和金剛石砂帶磨損的影響，并對(duì)金剛石砂帶磨損的原因進(jìn)行研究。

1 單顆磨粒磨削仿真

前文所述的學(xué)者的研究結(jié)果表明溫度是影響金剛石磨損的重要因素。因此，主要對(duì)磨削過程中的溫度進(jìn)行仿真。

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

圖1為金剛石磨粒模型和網(wǎng)格。如圖1所示：為了便于仿真模擬，將磨粒模型簡(jiǎn)化為球頭圓錐體，其頂錐角為2θ=73.74°，磨粒球頭半徑r=41.61 μm[12]。采用四面體網(wǎng)格C3D4T對(duì)磨粒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)磨粒刃尖的網(wǎng)格密集化以提高計(jì)算精度。

圖1 金剛石磨粒模型和網(wǎng)格

圖2為鈦合金工件模型和網(wǎng)格。如圖2所示：Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金工件模型為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，采用六面體網(wǎng)格C3D8T對(duì)鈦合金工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)磨削區(qū)域的網(wǎng)格密集化，其最小網(wǎng)格尺寸為0.01 mm。對(duì)遠(yuǎn)離切削區(qū)域的網(wǎng)格稀疏化以提高計(jì)算速度。

圖2 鈦合金工件模型和網(wǎng)格

1.2 定義模型材料屬性

在金剛石磨粒磨削鈦合金的過程中，切削速度高，同時(shí)在材料去除的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的磨削力，因此接觸界面會(huì)產(chǎn)生高溫和較大形變。為了保證仿真可以最大限度地模擬實(shí)際的磨削加工過程，必須選擇合適的材料模型。Johnson-Cook(JC)材料本構(gòu)模型可以反映在高應(yīng)變速率下的材料變形行為，因此選用JC材料模型，其本構(gòu)方程如式(1)：

(1)

應(yīng)用JC損傷準(zhǔn)則來(lái)模擬材料的破壞，損傷應(yīng)變的表達(dá)式如式(2)：

(2)

金剛石與TC4的材料屬性如表1所示，由于金剛石的硬度遠(yuǎn)大于鈦合金，所以在仿真中將金剛石設(shè)定為剛體。

表1 金剛石與鈦合金的材料屬性

1.3 邊界條件與參數(shù)設(shè)定

考慮到砂帶磨削中橡膠接觸輪和砂帶基材間的粘接劑為可變形材料，因此，磨粒在磨削過程中的運(yùn)動(dòng)并不是簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)，而是一種變幅值變頻率的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。本次仿真中磨粒的運(yùn)動(dòng)被設(shè)定為：在一定的切入深度下，磨粒在X方向以設(shè)定的磨削速度進(jìn)行磨削，同時(shí)在Y方向進(jìn)行定幅值、定周期的正弦位移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的周期是綜合考慮工件的長(zhǎng)度和磨削速度后確定的。通過這2個(gè)方向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可在一定程度上模擬砂帶磨削中磨粒的運(yùn)動(dòng)。Y方向的位移表達(dá)式如下：

Y=0.02sin(62 800t)

(3)

邊界條件設(shè)定如下：首先，設(shè)置TC4工件底面為完全固定約束。其次，對(duì)磨粒參考點(diǎn)設(shè)定速度約束，使用幅值控制磨粒在X方向的磨削速度。同時(shí)，對(duì)磨粒參考點(diǎn)設(shè)定位移約束，使用幅值控制磨粒在Y方向的正弦周期位移。

在使用金剛石砂帶進(jìn)行磨削時(shí)，磨削速度在10 m/s以上時(shí)能夠得到較好的加工質(zhì)量。因此，本次仿真中磨削速度設(shè)定為10 m/s、15 m/s和20 m/s, 金剛石磨粒的磨削深度為60 μm。

1.4 仿真結(jié)果

圖3為10 m/s磨削速度下的某個(gè)磨削階段的瞬時(shí)溫度云圖。圖3中：磨削區(qū)域的溫度主要集中在金剛石磨粒上，磨削過程中的磨粒溫度最高區(qū)域?yàn)榭拷ハ鲄^(qū)域一側(cè)的球頭面。這是由于在材料去除的過程中，金剛石磨粒與鈦合金工件材料接觸擠壓，摩擦熱集中在這一區(qū)域。

圖3 溫度分布

圖4為不同磨削速度下磨粒與工件的摩擦接觸點(diǎn)平均溫度的變化。當(dāng)磨削速度為10 m/s時(shí)，接觸點(diǎn)的平均溫度為702.1 K，同時(shí)隨著磨削速度的增大，摩擦接觸點(diǎn)的平均溫度升高；當(dāng)摩擦速度達(dá)到20 m/s時(shí)，摩擦接觸點(diǎn)平均溫度達(dá)到921.7 K。這是因?yàn)殡S著磨削速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料量增加，因此磨粒做功增加，磨削過程有更多的熱量產(chǎn)生。摩擦接觸點(diǎn)溫度達(dá)到700 K以上，比較容易發(fā)生氧化還原等化學(xué)反應(yīng)，造成金剛石磨粒的磨損。磨粒摩擦接觸點(diǎn)溫度越高，發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)就越劇烈，因此金剛石磨粒的磨損速率應(yīng)該隨溫度的升高而增大。

圖4 磨削速度對(duì)溫度的影響

由于金剛石砂帶的磨削過程是多顆磨粒共同參與的材料去除過程，即使金剛石砂帶表面的磨粒高度的分布是不等高、不均勻的，磨削過程中各個(gè)磨粒摩擦接觸點(diǎn)的溫度也并不相同，但是磨粒溫度的分布和磨削速度對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律是類似的。通過單顆磨粒的仿真溫度結(jié)果可以推論：在實(shí)際加工中，隨著磨削速度的增加，接觸區(qū)域的溫度應(yīng)該呈升高的趨勢(shì)。因此，金剛石砂帶的磨損速率也應(yīng)呈增大趨勢(shì)。

2 航發(fā)葉片磨削試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料選用航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片，該葉片通過數(shù)控銑得到。圖5a為葉片局部表面形貌，葉片型面具有明顯的銑削紋路，個(gè)別部位銑削紋路較深，分布不均勻，且葉片型面和進(jìn)排氣邊緣余量大。如圖5b所示，砂帶選用M10/20粒度電鍍金剛石砂帶。

(a) 葉片磨前局部表面形貌

試驗(yàn)在圖6所示的七軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床上進(jìn)行。該磨床有7個(gè)軸，這些運(yùn)動(dòng)軸包括：與磨頭垂直并沿?cái)?shù)控分度盤軸線方向的X軸，與磨頭垂直并與X軸垂直的Y軸，沿豎直上下方向的Z軸，工件回轉(zhuǎn)A軸，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)B軸，磨頭繞Z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)C軸，接觸輪壓力控制U軸。該機(jī)床通過各個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)航發(fā)葉片各部位的磨削。

圖6 數(shù)控砂帶磨床

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

磨削工藝參數(shù)對(duì)工件磨削質(zhì)量和砂帶磨損有重要影響。針對(duì)磨削速度設(shè)計(jì)了鈦合金航發(fā)葉片金剛石砂帶磨削試驗(yàn)，分析磨削速度對(duì)砂帶磨損的影響，進(jìn)而驗(yàn)證仿真的結(jié)果。試驗(yàn)法向壓力設(shè)置為8 N，進(jìn)給速度為600 mm/min，磨削速度分別設(shè)置為10 m/s、15 m/s和20 m/s，試驗(yàn)條件為濕磨。采用超景深顯微鏡對(duì)試驗(yàn)前后的金剛石砂帶進(jìn)行三維測(cè)量，可以得出磨削前后砂帶表面磨粒的磨損高度。其結(jié)果如圖7所示。為了消除砂帶磨粒初始高度的不同帶來(lái)的影響，用砂帶磨削前后高度差ΔH和原始高度的比值百分?jǐn)?shù)來(lái)表征砂帶的磨損程度。

(a) 磨削前

(b) 磨削后

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 葉片加工質(zhì)量

圖8為葉片的三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。圖8a為磨削前葉片某型面的加工余量檢測(cè)結(jié)果，葉盆、葉背實(shí)際輪廓均在要求公差帶之外，型面余量較大。進(jìn)排氣邊緣余量大，可達(dá)到0.187 mm。圖8b為經(jīng)金剛石砂帶磨削后的檢測(cè)結(jié)果，葉片型面和進(jìn)排氣邊的余量均處于±0.05 mm公差帶內(nèi)，且進(jìn)排氣邊被磨削為良好的圓弧過渡。

使用FTS Intra表面粗糙度輪廓儀對(duì)磨削后的鈦合金葉片進(jìn)行粗糙度檢測(cè)。沿著垂直于磨削紋路的方向抽取10個(gè)截面進(jìn)行3次測(cè)量取平均值。測(cè)量長(zhǎng)度為3 mm，評(píng)定長(zhǎng)度為0.8 mm。圖9所示為截面粗糙度測(cè)量結(jié)果。圖9中磨削后的表面粗糙度Ra均在0.4 μm以下。

3.2 金剛石砂帶磨損分析

圖10為磨削速度對(duì)砂帶磨損程度的影響規(guī)律。

(a) 磨削前

(b) 磨削后

圖9 截面粗糙度

從圖10可看出：砂帶磨損程度隨著磨削速度的增大而加劇。這是由于隨著磨削速度的增大，一方面金剛石磨粒摩擦接觸點(diǎn)的溫度升高，磨削區(qū)域發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)更劇烈，因而磨損加?。涣硪环矫?，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)磨粒參加磨削的次數(shù)增加，從而加速磨粒磨損。這一結(jié)果與單顆磨粒磨削仿真中磨削速度對(duì)摩擦接觸點(diǎn)溫度的影響規(guī)律一致，表明溫度與金剛石砂帶的磨損具有明顯關(guān)聯(lián)，溫度是影響金剛石砂帶磨損的重要因素。

圖10 磨削速度對(duì)砂帶磨損的影響

圖11為磨削后砂帶在掃描電鏡下的表面形貌，圖11a、圖11b的放大倍數(shù)不同。從圖11a中可以看到：金剛石砂帶表面發(fā)生了磨粒耗損和磨粒脫落現(xiàn)象，同時(shí)砂帶表面發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨屑堵塞和粘連。從圖11b中可以看到磨粒的耗損和白色粘連物。

圖12為白色粘連物的單點(diǎn)能譜分析，其元素組成如表2所示。圖12和表2中的主要元素為C元素和砂帶鎳基的Ni元素，同時(shí)存在少量黏附的Ti元素。這說明在磨削過程中，由于鈦合金化學(xué)親和性高的特性，Ti元素與C元素產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物粘連在砂帶上。隨著磨削過程的進(jìn)行，過多的磨屑粘連會(huì)造成排屑困難，進(jìn)一步提高磨削過程的溫度，從而加劇砂帶磨損。

(a) 粘連點(diǎn)

(b) 粘連物元素組成

表2 元素組成

4 結(jié)論

開展單顆金剛石磨粒磨削鈦合金過程仿真，進(jìn)行航發(fā)鈦合金葉片磨削試驗(yàn)，并使用掃描電鏡、超景深顯微鏡等對(duì)磨削后的葉片及砂帶進(jìn)行檢測(cè)，分析磨削過程中金剛石砂帶的磨損。得出結(jié)論如下：

(1)金剛石砂帶在磨削速度為10 m/s時(shí)，摩擦接觸點(diǎn)的平均溫度可達(dá)到700 K以上，且溫度隨磨削速度的增大而升高。

(2)在航發(fā)鈦合金葉片的磨削中，砂帶磨損程度隨磨削速度增大而升高，與仿真中磨削速度對(duì)摩擦接觸點(diǎn)溫度的影響規(guī)律類似，表明溫度是影響金剛石砂帶磨損的重要因素。

(3)M10/20金剛石砂帶的磨損形式為磨粒損耗和磨粒脫落，同時(shí)磨削過程的磨屑粘連加劇了金剛石金砂帶的磨損。

(4)經(jīng)M10/20金剛石砂帶磨削后的航發(fā)鈦合金葉片型面精度高，進(jìn)排氣邊被磨削為良好的圓弧過渡并且處于±0.05 mm的公差帶內(nèi)，型面粗糙度Ra在0.4 μm以下。