王光祖，張相法，位 星，王永凱，王大鵬

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，鄭州 450001；2.鄭州中南杰特超硬材料有限公司，鄭州 450001)

1 引言

鈦合金被認(rèn)為是“質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐熱”材料的典型代表，它的強(qiáng)度高于鋼，密度僅為其60%，并可長(zhǎng)期服役于300 ℃～350 ℃的溫度環(huán)境，加之不同型號(hào)鈦合金展現(xiàn)出的在成形和焊接等方面的特點(diǎn)，使鈦合金廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，最具代表的是航天航空領(lǐng)域。

2 鈦合金切削、磨削加工存在的主要問題

鈦合金材料主要有下列幾個(gè)磨削特點(diǎn)：

(1)磨削比低，砂輪粘附嚴(yán)重。觀察單顆磨粒磨削鈦合金的磨粒頂端或磨削鈦合金的砂輪表面，鈦呈云霧狀遍布粘附于磨粒頂部，幾乎看不到磨粒。由于粘附物與鈦合金磨削表面還要再接觸，在磨削力作用下，導(dǎo)致砂輪磨損嚴(yán)重，磨耗比下降。

(2)磨削力大，磨削溫度高。通過對(duì)單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，鈦合金磨削時(shí)，滑擦過程所占的比重較大，而磨粒與工件的接觸時(shí)間極短，在此極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦和急劇的彈、塑性變形，最后鈦合金才被切去而成為磨屑，產(chǎn)生大量的磨熱，磨削溫度高達(dá)1000℃～1500℃。另外磨削鈦合金粘附嚴(yán)重，變形劇烈，鈦合金鋼的導(dǎo)熱性又很差。因此，磨削力大，磨削溫度高，法向磨削分力比磨削45號(hào)鋼大數(shù)倍，切向磨削分力大近一倍，磨削溫度也高近一倍。

(3)磨削過程中變形復(fù)雜形成層疊狀擠裂切屑。

(4)化學(xué)活性高，表面易生成硬脆性變質(zhì)層。鈦及鈦合金高溫時(shí)化學(xué)活性很高，生成TiO2、TiN、TiH等脆硬層，降低了塑性。這樣，一方面使得切削呈現(xiàn)擠裂屑，另一方面使得加工表面層產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低了疲勞強(qiáng)度。

(5)磨削質(zhì)量不易控制。磨削鈦合金時(shí)，產(chǎn)生的拉應(yīng)力和表面污染層，以及磨削區(qū)70%～80%的磨削熱傳入工件不易導(dǎo)出，使工件產(chǎn)生變形、燒傷和裂紋，表面粗糙度也難保證。

(6)裝夾變形。鈦合金屬于有色金屬，不能磁化。采用機(jī)械裝卡會(huì)使板狀型工件產(chǎn)生較大裝卡變形，磨削時(shí)可使用真空吸盤進(jìn)行裝卡，工件變形較小。

3 金剛石砂帶磨削法

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。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[1-3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片剛性差，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有效手段[4-5]。但是，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)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，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前，已經(jīng)開始用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的精密磨削加工中。但目前關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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。Li等[6]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。Zuo等[7]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(500K)下即可發(fā)生氧化還原反應(yīng)。梁巧云等[1]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10m/s時(shí)，摩擦接觸點(diǎn)的平均溫度可達(dá)到700K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±0.05mm的公差帶內(nèi)，型面粗糙度Ra在0.4μm以下。

4 球形固結(jié)磨料磨頭研磨

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料之一，TiC4鈦合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，同時(shí)密度低、耐高溫腐蝕。但是TiC4鈦合金難切削、導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量低，在傳統(tǒng)加工中，容易出現(xiàn)加工變形、刀具損耗快、工件表面燒傷等問題[8-10]。

目前，TiC4鈦合金材料加工的主要方式是磨削、銑削等[11]，固結(jié)磨料研磨通過磨粒漏出結(jié)合劑層的部位與工件產(chǎn)生機(jī)械作用，對(duì)工件材料產(chǎn)生塑性或類塑性去除，可以顯著降低材料表面及亞表面損傷，同時(shí)，由于加工中磨粒硬度高，切削應(yīng)力小，可有效解決TiC4鈦合金難切削、工件表面易燒傷問題。針對(duì)TiC4鈦合金難切削、表面易燒傷的問題，王健杰等[8]提出球形固結(jié)磨料磨頭研磨的加工方法，通過一系列試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：(1)研磨時(shí)的材料去除率以及工件表面粗糙度Ra值都隨磨料粒徑的增大而增大，采用20～30μm碳化硅作為球形磨頭磨料，可以獲得最佳的材料去除率以及較好的表面質(zhì)量，此時(shí)材料去除率為6.7mg/min，表面粗糙度Ra值為0.876μm。(2)隨著磨頭轉(zhuǎn)速增大，材料去除率及工件表面粗糙度值增大；隨著研磨夾角增大，材料去除率及工件表面粗糙度值逐漸減小；隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，材料去除率先增大后減小，工件表面粗糙度值逐漸減小。(3)單點(diǎn)固結(jié)磨料研磨時(shí)優(yōu)化后的參數(shù)組合為：磨頭轉(zhuǎn)速2000r/min，研磨夾角30°，研磨時(shí)間10s，在此工藝參數(shù)下，研磨時(shí)的材料去除率達(dá)到22.2mg/min，工件表面粗糙度Ra值達(dá)到0.700μm。

5 磨削砂輪

不同于切削，磨削依靠眾多磨刃的微切削作用去除材料，工件材料在磨粒的擠壓和切削等作用下變形較為劇烈，導(dǎo)致磨削表面往往存在較為嚴(yán)重的魚鱗狀涂覆等現(xiàn)象。提高磨削速度可通過降低單顆粒切厚顯著改善這一問題。在普通磨削條件下，由于磨削溫度較高，磨削后工件表層多為殘余拉應(yīng)力。

在普通磨料中，SiC磨料與鈦合金的親和性較低，因此其磨削效果優(yōu)于剛玉磨料。若采用剛玉磨料磨削鈦合金，為避免砂輪表面產(chǎn)生大規(guī)模的材料粘附，需將磨削速度控制在約10m/s。在現(xiàn)有磨具技術(shù)水平下，普通砂輪磨削鈦合金時(shí)砂輪磨損速度較快，例如采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工鈦合金的磨削比僅約為1，選用超硬材料砂輪時(shí)則提升幾十甚至上百倍。

此外，相對(duì)于普通磨料，超硬材料的導(dǎo)熱能力顯著增強(qiáng)，因此可以獲得較高的材料去除率。另一方面，采用超硬材料砂輪磨削鈦合金時(shí)可以避免頻繁地修整砂輪，進(jìn)一步提高磨削加工效率。即便如此，在工程實(shí)踐中仍多采用普通砂輪加工鈦合金，制約超硬材料砂輪廣泛應(yīng)用的原因主要有：(1)砂輪價(jià)格昂貴，導(dǎo)致加工成本顯著高于用普通磨料砂輪磨削的成本；(2)砂輪修整難度大。因此，后續(xù)研究可重點(diǎn)關(guān)注超硬砂輪的制備與修整技術(shù)。

磨削高溫是抑制體鈦合金磨削加工效率的重要原因。對(duì)此研究人員在開發(fā)新型磨具和改善冷卻方式等方面進(jìn)行了一系列研究，例如：超硬磨料釬焊技術(shù)與磨粒有序排布技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出磨粒有序排布cBN砂輪。該砂輪磨粒出露高，可提供充足的容屑空間，從而減少磨削過去中砂輪與工件之間的摩擦。在改善冷卻方面，主要有熱管砂輪技術(shù)、低溫冷風(fēng)技術(shù)和徑向水射流技術(shù)等。

6 不同cBN砂輪加工技術(shù)

PTMCs是一種向鈦合金材料內(nèi)添加了TiC和(或)TiB硬質(zhì)增強(qiáng)相的復(fù)合材料，這些增強(qiáng)相具有更好和更穩(wěn)定的熱力學(xué)性能，成為比普通鈦合金性能更加優(yōu)異的高強(qiáng)、耐熱、輕質(zhì)材料[12-14]。此外，PTMCs因其更低的密度和優(yōu)異的力學(xué)性能，有望替代部分在500 ℃～850 ℃環(huán)境中使用的鎳基的高溫合金零部件，并使其減重25%～30%。因此，PTMCs有望成為高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

與切削加工相比，現(xiàn)代磨削正朝著高精度、高效率的方向發(fā)展[15]，以高速磨削為代表的高效精密磨削技術(shù)在航空航天零部件制造過程中的應(yīng)用也越來越廣泛。為了能夠更好地發(fā)揮高速磨削在PTMCs高效、精密加工方面的優(yōu)勢(shì)，李征等[16]采用3種CBN砂輪進(jìn)行高速磨削試驗(yàn)，CBN砂輪分別為釬焊砂輪、電鍍砂輪和陶瓷砂輪。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)釬焊砂輪可以獲得最低表面粗糙度的磨削表面，表面粗糙度為0.60～0.77 μm，磨削表面紋理連續(xù)且光滑，相對(duì)陶瓷和電鍍砂輪，釬焊砂輪在PTMCs高速磨削方面更具優(yōu)勢(shì)。(2)研究磨削速度對(duì)磨削力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論是法向磨削力，還是切向磨削力，都隨著磨削速度的升高而減小。(3)在20 μm的條件下，對(duì)不同磨削深度的影響，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，在磨削深度增大的過程中，磨削力都增大。(4)在磨削速度120 m/s、磨削深度20 μm條件下，3種砂輪磨削PTMCs的磨削力都隨工件進(jìn)給速度的升高而逐漸增大。(5)隨著磨削用量的增大，3種砂輪磨削PTMCs的磨削溫度顯著增高。(6)加大磨削速度，使釬焊砂輪和電鍍砂輪磨削PTMCs的表面粗糙度減小。陶瓷砂輪磨削表面粗糙度則是先降低后升高?？偟膩碚f，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，釬焊砂輪可以獲得表面粗糙度最低的，磨削表面表面粗糙度為0.60～0.77 μm。

7 切削刀具

鈦基復(fù)合材料是以鈦合金為基體，并在其中添加碳化鈦、硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁等顆?；蛘哌B續(xù)纖維增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料[17]，與鈦合金基體相比，鈦基復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、抗氧化性好、耐高溫、耐磨、抗蠕變、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)鈦合金，鈦基復(fù)合材料能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的特殊要求，在航空航天、電子信息、半導(dǎo)體照明和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景[18]。

鈦基復(fù)合材料是一種典型的難加工材料，切削高溫等引起的刀具快速磨損是鈦合金切削過程存在的一個(gè)主要問題，加工鈦合金時(shí)，涂層硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具顯示出優(yōu)異的切削性能，尤以PCD刀具為最佳，PcBN次之，TiC基硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具因耐用度低等原因被認(rèn)為不適用于鈦合金切削加工。PCD刀具與鈦合金切削的高匹配性主要源自其良好的導(dǎo)熱性和極高的硬度。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的數(shù)倍，更多切削熱可通過刀具傳出切削區(qū)，極高的硬度則保證了刀具的耐磨性。采用PCD刀具切削低鈦合金刀具的耐用度可達(dá)硬質(zhì)合金刀具的數(shù)十倍。

其次，鈦合金其中的增強(qiáng)相具有超高的硬度、強(qiáng)度以及良好的高溫性能，在切削加工時(shí)，增強(qiáng)顆粒會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的犁耕、刻劃等作用，不僅會(huì)大大降低刀具的使用壽命，而且會(huì)影響工件的表面加工質(zhì)量，導(dǎo)致加工成本明顯提高。因此，實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的高速、高質(zhì)量加工成為此類金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵。

針對(duì)此問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的研究，ARMESH等[19]使用PCD刀具對(duì)添加增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為10%～12% TiC進(jìn)行不同切削用量的刀具磨損研究表明，當(dāng)切削速度為80 m/min，進(jìn)給速度為0.35 mm/r，切深為0.2 mm時(shí)，PCD刀具的耐久度僅為2 min;當(dāng)切削速度為60 m/min，進(jìn)給速度為0.26 mm/r，切深為0.2 mm時(shí)，PCD刀具的耐久度為8min。GE等[20]采用硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具在切削速度為100 m/s，進(jìn)給速度為0.08 mm/r，切深為0.5 mm時(shí)，對(duì)增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%的(TiCp+TiBw)/TiC4顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行高速車削加工研究，結(jié)果表明，由于切削溫度較高，硬質(zhì)合金刀具中的WC與工件中的Ti元素劇烈反應(yīng)導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具使用壽命不足1 min，而PCD刀具的使用壽命僅有2 min。濮建飛等[21]對(duì)不同顆粒含量不同的鈦基復(fù)合材料開展高速切削試驗(yàn)，對(duì)比2種不同增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的鈦基復(fù)合材料在不同切削速度下的刀具磨損情況，結(jié)果表明，增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)PCD刀具耐用度有顯著影響，體積分?jǐn)?shù)越高，刀具磨損越嚴(yán)重，刀具耐用度越低;增強(qiáng)相種類對(duì)刀具的耐用度也有明顯影響，增強(qiáng)相TiBw對(duì)刀具耐用度的影響要大于增強(qiáng)相TiCp。PCD刀具在切削不同鈦基復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損形態(tài)相似，主要為前刀面和后刀面的磨損，且伴有崩刃及微裂紋現(xiàn)象發(fā)生，其主要磨損機(jī)理是磨粒磨損以及黏結(jié)磨損，且增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)越高，刀具黏結(jié)磨損越明顯。

鑒于以上問題，未來可從開發(fā)鈦合金切削專用的高性能刀具、刀具制備(焊接、切割和刃磨等)和切削工藝優(yōu)選(切削用量的選擇和切削液的供給等)等方面入手，降低PCD刀具切削鈦合金的成本，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。