鈦合金由于具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕性好、尺寸穩(wěn)定以及在500℃以下良好的熱穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、坦克、潛艇以及人造衛(wèi)星等高精度產(chǎn)品上。但是鈦合金作為典型的難加工材料，在高溫下具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，砂帶磨削時(shí)砂帶磨粒切刃容易磨鈍，容屑空間容易被堵塞，使砂帶失去切削能力，因此鈦合金砂帶磨削時(shí)的磨削比很低，且砂帶使用壽命短。同時(shí)，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼的1/5，而鈦合金摩擦系數(shù)卻很高，這樣在砂帶磨削過(guò)程中將產(chǎn)生大量磨削熱，由于磨削熱不能迅速傳出磨削區(qū)，則必將引起磨削區(qū)溫度過(guò)高使工件產(chǎn)生磨削燒傷，從而嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量。

為改善鈦合金砂帶磨削加工效率低、砂帶使用壽命短以及表面質(zhì)量差等問(wèn)題，我們分別用正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)砂帶磨削鈦合金的磨削率 、表面質(zhì)量及砂帶壽命進(jìn)行了一系列的性能試驗(yàn)研究，得到鈦合金砂帶磨削影響規(guī)律。

1. 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 砂帶磨削技術(shù)簡(jiǎn)介

砂帶磨削是砂帶這一特殊形式的涂附磨具，借助于張緊機(jī)構(gòu)使之張緊，和驅(qū)動(dòng)輪使之高速運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)工件形狀和加工要求，在一定壓力作用下，使砂帶與工件表面接觸以實(shí)現(xiàn)磨削加工的整個(gè)過(guò)程，基本原理如圖1(a)所示。

砂帶磨削材料去除機(jī)理與機(jī)床刀具切削加工類(lèi)似，工件材料在磨粒切削刃的擠壓、滑擦作用下產(chǎn)生變形轉(zhuǎn)為切屑，最終完成零件表面加工。砂帶的彈性接觸特征使磨粒切削刃的切削過(guò)程大致可以分為擠壓、滑擦、耕犁、切削四個(gè)階段，如圖1(b)所示。最初階段由于磨粒擠入工件的深度極小，小于磨粒刃尖圓弧半徑。磨粒刀刃負(fù)前角很大，工件表面僅發(fā)生彈性變形，磨粒在工件表面滑擦而過(guò)。隨著磨粒切入工件深度的增大，磨粒對(duì)工件表面的壓力逐漸增大，工件表面由彈性變形向塑性變形過(guò)渡，磨粒在工件表面上繼續(xù)擠壓、犁耕出加工溝痕，溝痕兩側(cè)由于材料的塑性滑移而突起。工件材料的塑性變形不斷積聚增加，當(dāng)磨粒的切入深度繼續(xù)增加達(dá)到某一特定值時(shí)，被磨粒擠壓的區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)明顯的滑移，當(dāng)擠壓力超過(guò)材料強(qiáng)度后，形成切屑從磨粒的前刀面流出，形成切削階段。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用無(wú)心外圓砂帶磨削TC4鈦合金棒材，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。砂帶磨削也是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多個(gè)影響因素，且錯(cuò)綜復(fù)雜。不同磨削參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的磨削效果。因而分析各種條件和參數(shù)對(duì)砂帶磨削性能的影響，對(duì)于正確使用砂帶磨削這一技術(shù)是十分重要的。根據(jù)有關(guān)砂帶磨削性能要求及評(píng)定指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目涉及砂帶磨削參數(shù)的材料切除率、磨削力、砂帶壽命、砂帶磨削表面質(zhì)量及磨削噪音等。其中磨削力和磨削溫度直接關(guān)系砂帶磨削性能，是重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目。砂帶線(xiàn)速度通過(guò)砂帶磨削試驗(yàn)機(jī)的變頻控制磨頭結(jié)合傳動(dòng)比即可確定。工件表面形貌可以通過(guò)帶RS232串口的表面粗糙度儀和掃描電鏡分析。

在具體磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，測(cè)試磨削過(guò)程中影響磨削力、磨削率及表面質(zhì)量的主要因素,然后分析不同條件下砂帶的磨損情況。

(1)砂帶線(xiàn)速度：法向磨削力不變的情況下，采取VS=(5~40)m/s，對(duì)工件進(jìn)行磨削。測(cè)量工件磨削前后質(zhì)量的變化，計(jì)算材料去除率。

(2)法向壓力Fn：在砂帶線(xiàn)速度不變的情況下，采取恒壓力磨削方式，采取Fn=(0.5~6.5)n/cm;對(duì)工件進(jìn)行磨削加工，測(cè)量工件磨削前后的質(zhì)量，計(jì)算材料去除率Zw。

(3)對(duì)TC4鈦合金材料在不同砂帶線(xiàn)速度和法向磨削壓力條件下進(jìn)行干磨和水磨，測(cè)量工件磨削前后的質(zhì)量，計(jì)算材料去除率，比較干磨和水磨的工件加工表面質(zhì)量，砂帶的磨損情況。

(4)改變磨料種類(lèi)：采用P400碳化硅砂帶，鋯剛玉砂帶，氧化鋁砂帶作對(duì)比進(jìn)行磨削試驗(yàn)，測(cè)量工件磨削前后的質(zhì)量，計(jì)算材料去除率，對(duì)比不同磨料的材料去除能力。

(5)砂帶壽命：在一定的磨削條件下，對(duì)鈦合金進(jìn)行砂帶壽命(耐用度)試驗(yàn)，觀察和分析砂帶隨時(shí)間變化的磨損情況。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1磨削率分析

圖3(a)顯示了在法向磨削壓力一定的條件下，砂帶線(xiàn)速度對(duì)鈦合金材料去除率的影響規(guī)律。從圖中可以看出：

①在一定范圍內(nèi)，材料去除率Zw隨砂帶線(xiàn)速度Vs增加而增加，但Vs增加到一定的限度，Zw隨即減小。這是因?yàn)閂s增加，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)磨削區(qū)的磨粒數(shù)目增加，即有效切削刃數(shù)目增加，但是隨著Vs增加到一定程度，當(dāng)Vs=28m/s左右時(shí)，單顆磨粒切刃在磨削區(qū)的駐留時(shí)間縮短，如果Vs過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致磨粒不足以切入工件表面，只產(chǎn)生滑擦、耕犁作用，從而影響材料去除率的繼續(xù)提高，材料去除率下降;

②對(duì)應(yīng)較好的磨削效果存在最佳的線(xiàn)速度值，材料去除率達(dá)到最大值;因此對(duì)不同的砂帶可以找到一個(gè)最佳的磨削速度范圍，然后選擇在此范圍內(nèi)將保證較高的材料去除率。

隨著時(shí)間的變化，砂帶磨損對(duì)材料去除率的影響也是很明顯的。在砂帶磨削初期，磨粒因破碎而磨損較快，以后進(jìn)入以磨耗磨損為主的穩(wěn)定磨損階段。在磨削初期，砂帶刃形鋒利，參加切削的磨粒數(shù)目較多，雖然磨損率較大，但磨粒磨損問(wèn)題還不很大，因而這個(gè)階段砂帶切削能力、材料切除效率最大。隨著磨削過(guò)程的進(jìn)行，砂帶進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段，此時(shí)磨粒在經(jīng)過(guò)初期的頂尖破碎、折斷或部分脫落以后，鋒利性降低，切削能力相對(duì)減弱，材料去除效率也減小，但減少不多，曲線(xiàn)比較平緩，如圖3(b)所示。

但需要注意的是，當(dāng)砂帶的磨損超過(guò)一定限度時(shí)，材料去除效率就會(huì)低于某個(gè)預(yù)期值。若繼續(xù)使用砂帶，不僅有可能出現(xiàn)工件磨削表面燒傷，而且效率太低也會(huì)使加工成本上升。所以可以把預(yù)定的材料切除率值作為衡量砂帶壽命的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

法向磨削力也是影響材料去除率極為重要的因素之一：由圖3(c)可看出，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行變壓力磨削時(shí)，材料切除率與法向壓力間無(wú)明顯規(guī)律可循。

2.2表面質(zhì)量分析

本次實(shí)驗(yàn)在不同磨料砂帶磨削鈦合金時(shí)，材料切削過(guò)程與普通金屬類(lèi)似出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，即工件表面變黑，也出現(xiàn)了附著物和塑性流變的涂覆層。其實(shí)粘附物在切削剛開(kāi)始就已經(jīng)有了，只是粘附較輕，隨著交互作用過(guò)程的進(jìn)行粘附物增大，使磨粒耕犁、切削作用減小、擠壓滑擦作用增多、交互作用力變大、溫度升高、交互作用條件惡化，這樣粘附越嚴(yán)重。

基于我們的實(shí)驗(yàn)和觀察，工件表面燒傷層由 A涂覆層、B氧化層、C過(guò)渡層組成，最外層是涂覆層，主要是鈦的氧化物和碳化物組成，沒(méi)有以晶體存在的鈦。厚度僅僅在數(shù)十納米以?xún)?nèi)的涂覆層主要是以片狀磨屑及球狀熔屑覆蓋于工件表面，其分布既無(wú)規(guī)律，又不連續(xù)。用電子能譜儀和χ射線(xiàn)質(zhì)譜儀檢測(cè)表明：在不同層中鈦含量都有一定程度的減少。而在燒傷層中，氧濃度增加，鈦含量減少得最多。這是由于在磨削溫度的作用下，工件基體內(nèi)鈦向表面擴(kuò)散，并被吸附進(jìn)去的氧所氧化，形成鈦的氧化物。B層的氧化物是鈦的氧化物，A和 B合稱(chēng)為完全變質(zhì)層。在基體和完全變質(zhì)層之間的過(guò)渡層 C又稱(chēng)為污染層，晶體鈦開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸增加，氧化鈦減少;氧以氧化物或間隙固溶體兩種形式存在，但其含量逐漸減少，過(guò)度層一個(gè)明顯的特征就是富氧。從金相上看，其形狀呈片狀或塊狀，與基體有明顯的分界面，其厚度與燒傷程度有關(guān)，燒傷越重，其厚度越大。隨著壓力進(jìn)一步增大，盡管在磨削表面上出現(xiàn)了因塑性擠壓變形和溫度綜合作用而形成的魚(yú)鱗狀皺疊和涂復(fù)物，并伴有脫落的鈍化磨粒嵌入已加工表面，出現(xiàn)了磨削裂紋。

砂帶粒度是影響表面粗糙度的最主要因素，由圖4(b)可以看出：表面粗糙度值會(huì)隨著砂帶粒度的增大而減小，剛開(kāi)始的時(shí)候粗糙度減小得比較快，然后逐漸趨于緩和，說(shuō)明表面粗糙度只在特殊范圍內(nèi)才會(huì)隨著粒度的增加而減小。表面粗糙度還與其他因素有關(guān)，依次是磨削壓力、砂帶線(xiàn)速度、工件移動(dòng)速度以及接觸輪硬度等。

2.3砂帶壽命分析

外圓砂帶磨削鈦合金時(shí)砂帶磨損形式主要有磨粒脫落、磨粒破碎、磨粒磨平磨鈍和粘著磨損等，其中磨平磨鈍為磨損的主要形式，而其磨損受到磨削壓力、砂帶速度、工件材料、磨料硬度、磨料粒度和磨削液等因素的影響。如圖5所示為砂帶累積磨削時(shí)間與砂帶磨損高度的關(guān)系曲線(xiàn)，盡管砂帶的磨料種類(lèi)不同，但在砂帶磨削時(shí)均首先進(jìn)入快速初期磨損階段，然后逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定磨損階段，可見(jiàn)壽命期內(nèi)砂帶的磨損過(guò)程只有兩個(gè)階段，以磨粒破碎磨損為主的初期快速磨損階段和以磨粒磨耗磨損為主的穩(wěn)定磨損階段。由于常用砂帶一般為單層涂附產(chǎn)品，因此砂帶采用的靜電植砂工藝可能是造成砂帶初期磨損的主要原因，因?yàn)樗鼓チＱ刈陨黹L(zhǎng)軸方向豎直植入基材表面。新砂帶切刃尖而鋒利，參與切削的磨粒較少，單顆磨粒承受法向壓力和切向壓力大，這也表明新砂帶切刃發(fā)生破碎現(xiàn)象頻繁，單個(gè)磨粒頂端將快速形成磨損小平面或由單一切刃向近似等高的多切刃轉(zhuǎn)變，一方面它表現(xiàn)出以磨粒破碎為主的快速磨損，另一方面磨粒頂端擴(kuò)展變大，為砂帶進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段做準(zhǔn)備。進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段的砂帶由于前期快速磨損已經(jīng)使磨粒高度均勻，參與切削的磨粒增多且數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定，所以砂帶在穩(wěn)定磨損期間內(nèi)磨損主要形式是磨耗磨損和部分的破碎磨損，其變化率相對(duì)較慢，近似成斜率很小的直線(xiàn)。

3. 結(jié)論

(1)外圓砂帶磨削鈦合金時(shí),材料去除率受磨削壓力、砂帶線(xiàn)速度、工件材料、磨料種類(lèi)及粒度等的影響較大。其中法向磨削壓力越大,材料去除率越大;隨著砂帶線(xiàn)速度增大，材料去除率先增大后減小;陶瓷和鋯剛玉磨料的砂帶較之氧化鋁和碳化硅磨料的砂帶有較高的材料去除率;工件材料的硬度越低、磨料粒度號(hào)越低，材料的去除率越高;

(2)碳化硅砂帶磨削TC4鈦合金時(shí)，F(xiàn)n=2.0N/cm, 得Zw=1.5g/min，可獲得最大的材料去除率。鋯剛玉砂帶磨削TC4鈦合金時(shí)，Vs=10m/s，得Zw=1.9g/min為最佳值。

(3)提高砂帶線(xiàn)速度，選用合理的磨削壓力、砂帶磨料、磨削液和采用高粒度號(hào)的砂帶等，可有效防止磨削燒傷和裂紋的產(chǎn)生，改善金屬材料砂帶磨削的表面加工質(zhì)量。

(4)磨平磨鈍是砂帶磨粒最主要的磨損形式，其磨損受磨削壓力、砂帶線(xiàn)速度、工件材料硬度和磨削液等因素的影響較大。

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