钛合金低倍试样的磨削工艺研究

李淑芬　郭庚萍

摘  要：根据钛合金低倍试样的机加工精度要求和材料的机加工特点的分析及反复试验研究,合理选择磨削用量、砂轮的参数与修整、工件的装夹、冷却液等,加工出符合钛合金低倍性能标准要求的试样,解决了该材料磨削难的问题。

关键词：钛合金　低倍试样　磨削

    钛合金低倍试样是为微观上研究分析其晶粒度大小试验使用的,一般只研究其表层1μm深的晶粒度情况。试样的几何面积均很大,尺寸范围为7000～122500mm2,要求它的表面机加工精度高,表面粗糙度要求Ra014～018μm;且表面一定不能有烧伤、气孔、划伤等。由于钛合金本身具有导热系数低、化学活动性大、亲和性大、粘附等特点;在机加工过程中极易出现表面烧伤、划伤、扎刀等情况。因此,要加工出符合钛合金低倍性能试样标准规定的形位公差及表面质量,就必须合理地选择磨削用量、砂轮的牌号、硬度、粒度及修整、工件的装夹以及磨削液。

1　砂轮选择及其修整

1.1　砂轮的选择

钛合金磨削时,磨削比很低,且磨粒顶部与钛合金产生粘结现象,砂轮磨损严重,为了恢复砂轮的锐利程度和正确的表面形状,提高劳动生产率,在车间现有情况下,选择绿碳化硅和氧化铝混合磨料砂轮。砂轮参数为:直径350mm,宽度40mm,粒度100#,硬度等级E。

砂轮的粒度细,单颗粒负荷相应减少,不易钝化,砂轮自锐性好,砂轮外形保持性好,切削平稳,且砂轮耐用度高。

1.2　砂轮的修整

首先用修整器把砂轮圆周工作面及两侧修成约R5～R8的圆弧边,然后在砂轮圆周上开数量、宽度、深度一定的不等距沟槽。具体尺寸如图1所示。该方法能改善砂轮的自锐性,使得钝化的砂粒及时脱落,保持砂轮在磨削过程中应有的磨削能力;减少磨削热量,并且还能通过砂轮的沟槽带走部分热量,减少砂轮与工件之间的接触面积和时间,改善磨削区域的散热条件,能有效防止工件表面烧伤和裂纹。

 图1　砂轮的修整形状

另外,砂轮圆周工作面两侧修成R5～R8的圆弧,能很好地避免砂轮划伤工件,也减少砂轮与工件的接触面积,降低磨削温度,可有效地防止表面烧伤和裂纹。尤其应注意,精修砂轮时,一定不能光修,否则更易产生工件烧伤。修整用量如表1所示。

表1　磨削钛合金的砂轮修整量

2　磨削用量的选择　

由于磨削过程中,砂轮表面与钛合金之间存在较严重的粘附现象,使磨削力增大,磨削温度高,当磨削温度到一定值时,表面热应力很大,会出现磨削裂纹;而钛合金导热性差,热量来不及传入工件深处,瞬时集聚在很薄的表层,磨削区温度有时在1000℃以上,在瞬时高温作用下,工件表面易烧伤,而钛合金磨削烧伤的重要表现形式之一是工件表层富碳和富氧,这一点经过定量分析能更清楚地表明,如图2所示烧伤表层碳、氧含量很高,尤其在极薄层,其成分几乎全是碳和氧。由此可知,控制与降低磨削温度是保证质量的重要环节。而磨削温度又直接受磨削用量的影响,砂轮线速度vs增高,磨削温度相应上升,易发生烧伤;磨削深度ap越大,工件表面温度越高。因此宜选较小的ap,但ap过小时,则导致磨削时滑擦与刻划能量的增加,反而更易引起表面烧伤。因此,钛合金精磨削时,一定不能光磨。图3所示的是绿碳化硅和氧化铝混合磨料砂轮选用不同组合切削参数磨削钛合金表面残余应力曲线图。

                 图2　工件烧伤表层元素分布                 图3　表面残余应力σ与表面深度h关系

在图3中,1组vs=35m/s,vw=10m/min,ap=0101～01005mm;3组vs=35m/s,vw=10m/min,ap=0mm;5组vs=40m/s,vw=25m/min,ap=0102～0103mm。

在实际磨削中采用1组的磨削用量磨削,获得较低磨削温度,表面残余应力较低,磨削表面无烧伤、裂纹出现。针对上述原因,又经过多次实验研究发现,采用低应力磨削方法进行试样磨削加工,能够很好地满足钛合金低倍试样机加工要求。选用的磨削参数如表2所示。

表2　优选后的磨削参数

　　从表2中不难看出,低应力磨削是一种去除很小余量的磨削过程,因此可以降低钛合金磨削表面的残余应力,防止产生烧伤、裂纹和变形,能很好满足试样表面的较高质量要求。

3　试样的装夹

当试件装夹在虎钳上时,试件只能高出虎钳口0.5～1mm;同样,如果工件太大,需放在工作台上用挡铁时,工件也只能高出挡铁0.5～1mm。

图4　磨削后的钛合金试样

4　磨削液的选择

合理地选择磨削液,可降低磨削区域温度,减少磨削力,延长砂轮寿命,改善加工表面质量,提高磨削效率,而钛合金又有上述自身的磨加工特点,因此笔者自配了磨削液,成分为:亚硝酸钠+三乙醇胺+甘油+本甲酸钠+水,成分比例:1∶1∶1∶1∶290,这种磨削液的特点是:无色透明,冷却性能、润滑性能和清洗性能非常好,很好地降低磨削区温度,防止工件表面烧伤、裂纹,有效阻止了砂轮堵塞和粘附,提高磨削效率和表面质量。

磨削后的试样检测表明,按上述方法磨削的钛合金试样能够很好地满足钛合金低倍试样性能标准要求。因此很好地解决了该材料磨加工难的问题,满足了实际需要。