摘 要： 主要是通過對鈦合金材料（TC11）性能進行分析后，在加工中如何正確選擇砂輪磨料、粒度、硬度、結合劑等參數，調整磨削力、磨削參數保證零件表面加工后不燒傷并提高表面的完整性。

　　關鍵詞： 鈦合金；磨損；粘附；燒傷和裂紋

　　0 引言

　　現階段，航空發動機零件多數采用鈦合金材料，根據裝配需求，精加工表面尺寸精度和表面粗糙度都需要磨削加工才能保證零件表面的質量。由于鈦合金材料本身物理機械性能，磨削加工時易出現表面燒傷、表面完整性降低，目前急需解決對鈦合金材料磨削的問題，所以選擇合適的砂輪是非常必要的。

　　1 鈦合金材料性能分析

　　鈦合金的種類大致分為三類，α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金。具有比重小，比強高，耐高溫，耐腐蝕、超記憶，無磁性，彈性模量低，生物相容性號，這一系列優良的使其在廣泛的領域得到應用。鈦的熔點為1668℃，沸點為3400℃，高于鎳鐵，因此，輕型耐熱成為了其優良的基礎，可在500℃下長期工作。新型鈦合金長期工作溫度還要高，在300—350℃下其強度比鋁合金高10倍。常用α+β鈦合金強度達到1.2GPa，比重0.44MPa，比強度23—27，均高于合金鋼。鈦合金的抗拉強度可超過1.5GPa，對其加工必須施加很大的力，是典型的難加工材料。

　　鈦的熱導系數為0.036cal，TC11鈦合金的導熱性能更差。鈦的彈性模量約為鋼的1/2，加工時回彈性大，容易振動。

　　鈦合金中含有氧，氫、氮、碳，有時還包括硅，鐵等雜質元素，這些元素進行了強烈的反應，以間隙式存在于晶格中，可使鈦合金強度提高，塑性下降，甚至使斷裂韌性、低溫韌性、疲勞強度、耐蝕性、冷成型和可焊性變壞。鈦合金在高溫中化學性極高，在一定磨削溫度下，鈦形成氧化，氮化保護膜，使表面層硬化變脆，降低了彈性，加大了加工硬化程度，磨削時容易貼附，堵塞砂輪，造成磨削過熱，表面完整性降低。

　　2 鈦合金磨削砂輪的選擇

　　2.1 鈦合金磨削要求砂輪粘附小，磨損小，不易堵塞，磨削溫度低

　　這主要包括磨料的粒度結合劑組織形狀尺寸。普通砂輪由磨料結合劑和氣孔組成。磨料作用是磨削被加工材料形成符合要求的表面。結合劑的作用是把磨料粘結到一起，形成一定形狀和硬度，使磨粒在磨削過程中保持穩定的運動軌跡，并能自脫。氣孔是在磨削進程中起到排屑，冷卻兼有潤滑作用。普通磨料包括剛玉系列（氧化鋁），和碳化硅系列。磨削鈦合金應選擇碳化硅砂輪。

　　2.2 結合劑的選擇

　　結合劑分樹脂和陶瓷兩種：

　　1）陶瓷結合劑顆粒能力強，熱穩定性與化學穩定性好，防水，耐熱，耐腐蝕，磨損小，長時間保持磨削性能，具有多孔性，不易堵塞，生產率高。脆性大，不能經受較大沖擊負荷。

　　2）樹脂結合劑砂輪強度高，有彈性，耐沖擊好，熱穩定性差，耐腐蝕性差，高溫下會軟化失去強度。

　　磨削鈦合金應選陶瓷結合劑砂輪。

　　2.3 粒度的選擇

　　磨削鈦合金通常采用36#—80#粒度。

　　2.4 砂輪組織硬度

　　磨削鈦合金通常應選擇較軟硬度或者中等硬度，組織較松的大氣孔砂輪。

　　3 鈦合金磨削過程中磨削力的分析

　　在用碳化硅、氧化鋁砂輪磨削鈦合金時，磨屑易貼附于砂輪表面，磨削力較大，砂輪磨損嚴重，導致工件表面質量下降。

　　1）磨削力與各磨削參數之間的關系。選擇合理的磨削參數以控制磨削力大小，進而改善磨削質量，是鈦合金磨削的關鍵，鈦合金磨削過程中的磨削力是有切削和摩擦兩部分組成的，這兩部分所占有的比例各有不同。鈦合金的磨削中切屑變形力是主要的，占了磨削力中大部分約為摩擦力的三倍。但與一般金屬材料相比，其摩擦力所占的比例大得多。這與鈦合金材料的性質有很大的關系，鈦合金彈性模量小，熱導率低，化學活性高，粘，韌。在磨削中砂輪粘附嚴重，導致摩擦力增加。而摩擦力受砂輪線速度影響小，受磨削深度影響大。所以，要控制磨削力，因采用適當的磨削深度和磨削線速度。鈦合金磨削中摩擦系數隨線速度增加而增加。在摩擦學中，摩擦系數與相對滑動的關系。只有當載荷趨大時，摩擦系數才有隨滑動速度增加而增大的趨勢。在磨削中，每個磨粒承受了相當大的應力。所有摩擦系數受磨削參數變化影響很大。

　　2）切屑變形力與磨削深度的線性關系由于存在著尺寸效應，從斷裂力學基本原理出發，事實上磨削過程是裂紋擴張過程。尺寸效應主要由磨削力中的切屑變形力引起。而金屬磨除率與法向磨削力的關系，其實并不止取決于工件材料和砂輪的修整情況，因為同樣存在尺寸效應的影響。

　　3）磨削深度對金屬磨除比影響很大，這是由于尺寸效應的作用。工件速度影響要小的多，使得法向力與金屬磨除比呈非線性關系。

　　綜合上述：磨削鈦合金材料應選擇磨削參數：轉速45M/S，切削深0.01—0.02mm。

　　4 鈦合金磨削燒傷機理分析

　　鈦合金磨削過程中存在較嚴重的砂輪粘附，磨削力和磨削溫度都很高，因而容易產生磨削燒傷和裂紋。

　　用普通磨料磨削鈦合金時，即使磨削深度用量很小，磨削表面也會發生磨削燒傷和裂紋。大致表現為黃褐色斑，發紋狀裂紋，其方向與磨削方向垂直，用大磨削用量則表面還會有魚鱗狀皺疊和塑性變形的金屬熔敷物。這是一些什么物質呢？我們看看碳化硅磨粒磨削鈦合金使得化學反應式：SiC+Ti→TiC+Si，再看看碳化硅磨粒在一定大氣溫度下氧化反應式：SiC+2O2→SiO2+CO2。

　　其中一部分碳原子會向被磨削工件表面擴散，在滑擦剪切力的作用下，SiO2氧化膜剝離，造成SiC磨粒氧化磨損，而工件表面留下氧、碳元素的擴散層，反作用于磨粒表面產生失去碳弱化層，SiC磨粒硬度強度下降，磨削力增大，砂輪磨損加劇，磨削溫度升高在所難免。從微觀上將，磨粒和粘附形成的過程是切削刃先出現小面積粘附逐漸大面積粘附，磨粒微細破碎，然后磨粒破碎脫落，鈦合金磨削區產生塑性變形。磨粒與工件相互粘結，這中間既有物理吸附作用，又有化學吸附作用，在加上相對滑擦的剪切力，被加工材料向磨粒轉移，這是砂輪粘附的整個過程。 　　砂輪粘附極易造成堵塞，使磨削區溫度升高，磨削表面沿工件層發生分布型磨削燒傷，伴有變質層和殘余應力。

　　磨削冷卻過程中在磨削深度較大時，磨削表面所產生的氧化膜密度達到超過臨界溫度，磨削弧區溫度就會因磨削液的成膜沸騰而急劇升高，冷卻效果變差。當升高的溫度超過了普通磨料所能承受的極限時，磨粒會因軟化破壞而脫落。所以需要選用新型的超硬砂輪，進一步增加磨削弧區的高溫耐受程度。

　　5 鈦合金磨削表面完整性分析

　　表面完整性是評價工業產品表面質量的一個重要指標。機械加工的根本任務就是在特定條件下將工件轉化為能完成特定功能的零件，而零件的表面質量是影響其使用性能的主要因素。表面完整性就是指表面粗糙度，表面殘余應力，表層組織狀態的完好程度。包括零件加工后的表面紋理，表面冶金質量。表面紋理主要包括粗糙度，波紋度，宏觀裂紋，皺褶和撕裂。表層冶金質量主要包括微觀結構變化，在結晶層，晶格間腐蝕微觀裂紋殘余應力，合金貧化等。

　　6 試驗結論

　　綜上所述，在生產實踐中通過仔細觀察，測量鈦合金磨削表面完整性的變化，調整合適的磨削參數，選用物理方法和化學方法進一步改善磨削過程中的散熱以及潤滑性。最終選擇碳化硅、陶瓷結合劑、80#粒度、較軟硬度或者中等硬度，組織較松的大氣孔砂輪是加工鈦合金磨削的最優化方案。

　　7.1 安裝砂輪

　　1）對砂輪進行全面檢查，發現砂輪質量、硬度和外觀裂紋缺陷時不能使用。

　　2）法蘭盤與砂輪之間要墊好襯墊。

　　3）直徑大于或等于200mm的砂輪裝上砂輪卡盤后，應先進行靜平衡。

　　7.2 操作中

　　1）操作時要戴防護眼鏡。

　　2）檢查砂輪是否松動、有裂紋、防護罩是否牢固、可靠，發現問題時不準開動。

　　3）砂輪轉速不準超限，進給前要選擇合理的吃刀量，要緩慢進給。

　　4）裝卸工件時，砂輪要退到安全位置。

　　5）砂輪未退離工件時，不得停止砂輪。

　　8 結束語

　　本文通過以上對鈦合金材料性能、磨削力、磨削參數的分析及如何選擇適合新型的砂輪的磨料，最終通過實際零件的反復加工，從中摸索出實際適合加工鈦合金材料的砂輪，加工后確保零件的表面完整性，解決了鈦合金磨削問題，提高了生產效率，這只是對鈦合金材料（TC11）初步的總結和探討，希望對鈦合金材料需要磨削的航空產品有所幫助。

　　參考文獻：

　　[1]潘金生等主編，《材料科學基礎》，清華大學出版社，2005.3.

　　[2]工程材料實用手冊編輯委員會編，《工程材料實用手冊》，中國標準出版社，1989.

　　[3]孟少農主編，《機械加工工藝手冊》，機械工業出版社，1992.1.