1.背景

　　鈦合金管材作為一種先進的輕量化結構材料，具有優異的綜合性能，其密度小，比強度高,疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，抗蝕性能優異，焊接性能良好等，因此在航空、航天、汽車、造船、能源等行業具有日益廣泛的應用前景。如圖1為飛機液壓管路用鈦合金管材，圖2為醫療器械用鈦合金管材。但由于鈦合金材料的導熱系數低，摩擦系數大，使磨削過程產生大量的熱量又不能迅速傳出，容易引起磨削零件的燒傷。

　　砂帶磨削技術具有“冷態磨削”之稱，因其磨削溫度低、磨削力小、加工效率高等特點而成為一種有前景的鈦合金磨削拋光的加工方法。

　　針對鈦合金砂帶磨削中的磨削率及表面粗糙度等問題，我們進行了如單因素試驗和正交試驗等一系列的性能試驗研究，得到了很多十分有用的結論。本次試驗的研究不但可以改善鈦合金的磨削表面質量，而且有助于擴大鈦合金的應用范圍，對生產實踐有理論指導意義。

　　2、試驗裝置及試驗條件

　　2.1試驗裝置

　　本試驗是在重慶三磨海達磨床有限公司和重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心研發的小型無心外圓砂帶磨削機床上進行的，如圖3、4所示，機床由砂帶磨頭、驅動裝置、工裝與夾具、電氣控制系統等部分構成。以砂帶作磨具，采用典型無心外圓磨削技術，工件在進給輪、驅動輪和托板、托輪等共同作用下，進行管材外圓磨削，實現粗磨、精磨和拋光(如圖5所示)。該機床可以進行各種等徑軸類、桿件、管件外面圓表面磨削拋光。如工程機械液壓桿、汽車及摩托車減震器桿、氣門桿、油田抽油光桿，以及有色金屬棒、管、塑料、橡膠管、紡機光桿和各種線材的加工。

　　結合上述機床的各種優點，并通過控制砂帶粒度、砂帶線速度、進給速度、接觸輪硬度等參數，在此機床上進行了單因素試驗和正交試驗，得出了影響砂帶磨削鈦合金磨削率及表面粗糙度的關鍵因素。

　　2.2試驗條件

　　表1顯示了本次試驗的工藝條件。由于與砂輪磨削相類似，砂帶磨削也是一個極為復雜的過程，涉及多個影響因素，且錯綜復雜。不同的條件，不同的磨削參數會產生不同的磨削效果。因而分析各種條件和參數對砂帶磨削性能的影響，對于正確使用砂帶磨削這一技術是十分重要的。

　　在進行具體磨削試驗時，首先通過單因素試驗，測試磨削過程中影響磨削率的主要因素，然后通過正交試驗分析不同條件下砂帶磨削鈦合金管材的表面粗糙度的情況，并得出影響粗糙度的主要因素。

　　3、磨削率試驗結果分析

　　通過對鈦合金材料砂帶磨削加工效率的理論分析和試驗研究。結果表明：砂帶磨削的材料去除效率與其自身的結構特性和表面形貌以及加工方式有密切關系。

　　(1)圖6顯示了在法向磨削壓力一定的條件下，砂帶線速度對鈦合金材料去除率的影響規律。從圖中可以看出：

　　①在一定范圍內，材料去除率Zw隨砂帶線速度Vs增加而增加，但Vs增加到一定的限度，Zw隨即減小;②對應較好的磨削效果存在最佳的線速度值，材料去除率達到最大值;因此，對不同的砂帶可以找到一個最佳的磨削速度范圍，然后選擇在此范圍內將保證較高的材料去除率。

　　(2)隨著時間的變化，砂帶磨損對材料去除率的影響也是很明顯的。在磨削初期，砂帶刃形鋒利，參加切削的磨粒數目較多，雖然磨損率較大，但磨粒磨損問題還不很大，因而這個階段砂帶切削能力，材料切除效率最大。隨著磨削過程的進行，砂帶進入穩定的磨損階段，此時磨粒在經過初期的頂尖破碎、折斷或部分脫落以后，鋒利性降低，切削能力相對減弱，材料去除效率也減小，但減少不多，曲線比較平緩，如圖7所示。

　　(3)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8可看出，對TC4鈦合金進行變壓力磨削時，材料切除率與法向壓力間無明顯規律可循。其法向磨削壓力臨界值及對應的材料切除率如表2所示。

　　4、表面粗糙度正交試驗結果分析

　　正交試驗在小型無心外圓砂帶磨床上進行，采取恒壓力外圓工件縱向進給試驗方法進行研究。正交試驗因素水平如表3所示，試驗結果如表4所示。

　　表面粗糙度和各磨削參數之間存在著復雜的指數關系，形式表示為：

　　Ra=KPb1Vgb2 VSb3Db4 Fb5

　　式中: Ra為表面粗糙度;K為比例系數;P為砂帶粒度;Vg為工件軸向進給速度;Vs為砂帶線速度;D為接觸輪硬度;F為磨削壓力;b1、b2、b3、b4、b5分別為各變量的指數。

　　將正交試驗結果數據代入式(1)中，最終得到砂帶磨削鈦合金表面粗糙度的預測模型為：

　　Ra=451.06 P-0.9387 Vg0.0120 VS-0.2317 D0.0204 F-0.115

　　由回歸系數顯著性檢驗可知，對于表面粗糙度，砂帶粒度和砂帶線速度對其影響很大;磨削壓力有一定影響;接觸輪硬度和工件軸向進給速度影響不明顯。

　　由正交試驗結果并結合單因素試驗結果，可以得到砂帶粒度、砂帶線速度、接觸輪硬度和磨削壓力對表面粗糙度的影響，如圖(a)、(b)、(c)、(d)所示。

　　（a）   砂帶線速度對表面粗糙度的影響

　　（b）   砂帶粒度對表面粗糙度的影響

　　（c）   接觸輪硬度對表面粗糙度的影響

　　(d)     磨削壓力對表面粗糙度的影響

　　由此可知圖(a)、(b)、(c)、(d)的結論與正交試驗結果相符合。

　　5、結論

　　本試驗研究結果表明：

　　(1)外圓砂帶磨削鈦合金時，材料去除率受砂帶線速度、磨削壓力、工件材料、磨料種類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;隨著砂帶線速度增大，材料去除率先增大后減小。

　　(2)通過選定參數試驗建立了砂帶磨削鈦合金的表面粗糙度預測模型，并得出：對于表面粗糙度，砂帶粒度和砂帶線速度影響顯著;磨削壓力影響一般;接觸輪硬度和工件軸向進給速度影響不明顯。單因素試驗結論和正交試驗結果相符合。