低温ELID磨削钛合金磨削力的实验研究

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一、前言
精密和半精密磨削钛合金时，由于钛合金的材料特性造成了其磨削困难。这主要是以下几方面的原因：(1)钛及钛合金材料导热、导温系数小，仅为铝及铝合金热导率的1/15，钢热导率的1/5。低的导热、导温率使其在磨削加工中，磨削热不易散发，还会产生加工粘结现象。(2)钛及钛合金在高温时化学活性高，由于磨削温度高，磨屑易于空气中的氧、氮等元素发生化学反应形成，加快砂轮的磨损。摩擦系数大，弹性模量小，屈服强度比大，这种特性会使加工零件表面产生较大的回弹变形，从而造成磨削力大，并影响加工精度。
由于钛合金具有化学活性高、粘、韧等特点，加上磨粒磨削点局部高温和压力作用，磨粒和金属表面会因亲和力而发生物理性粘结。钛合金磨削过程中的粘附问题将使砂轮加快损耗，影响工件的加工表面质量，而且造成了钛合金磨削力的大小不仅取决于切削工件材料产生的力，而且取决于粘附到工作磨粒上的钛合金材料与工件表面相互接触产生的力。
1 W% T( V$ [  t" b/ @3 F针对以上对钛合金精密和半精密磨削中存在问题，采用液氮作为冷却介质，降低钛合金的磨削温度，改变其材料性质，减少钛合金在磨削过程中的粘附现象，并从磨削力随磨削深度的变化趋势及钛合金磨削机理等方面，研究了低温对钛合金磨削的影响。
二、钛合金(TC4)低温性能的研究
1 ?2 Q5 I- I1 e# {. O7 l0 ?9 p' _为了研究钛合金的低温加工性能，进行了钛合金低温性能实验。实验结果表明，随着温度降低，钛合金的硬度和脆性增加，冲击韧性降低。图1为不同温度下钛合金的冲击断口微观表面形貌照片。当温度由室温降至液氮温度(-196℃)时，其断裂表面形貌由塑性韧窝状断口向脆性解理状断口转变。由此可知，如使磨削处于低温状态，可以使钛合金的塑性降低，增加其脆性，从而使其适合于磨削。

图1 不同温度下钛合金冲击断口微观表面形貌
三、低温磨削实验装置与实验条件
实验采用的方法原理如图2所示。

2 H6 O( p- d  j0 a4 M  G" T图2 低温磨削钛合金实验装置原理
试件装夹在KISTLER三向压电晶体测力仪上，液氮喷嘴将液氮直接喷射入磨削区。由此，磨削过程中产生的力的信号经电荷放大器转变为放大的电压信号，然后经A/D数据采集卡转变为数字信号输入计算机，最后对所采集的数据进行计算机处理，在本实验中主要测量钛合金磨削过程中所产生的法向力Fn与切向力Ft。
实验条件
磨床：MM7120A 精密平面磨床
+ {2 g# q7 U$ t砂轮：W10 铁基结合剂 CBN砂轮
砂轮最大线速度：Vs=14m/s
; ~" K0 i0 x& ~进给速度：Vw=5.8m/min
磨削工艺：干磨、ELID磨削、ELID结合液氮喷雾冷却低温磨削
实验过程中，采用两种不同的磨削工艺方法，对钛合金磨削过程中所产生的磨削力Fn、Ft进行测量，W10铁基结合剂CBN砂轮采用电火花方法整形，并应用ELID技术进行在线电解预修锐。通过比较两种不同磨削工艺条件下，钛合金磨削力随磨削深度变化的趋势及大小，以及对不同磨削工艺条件下所磨工件表面进行微观形貌分析，可以看出低温对钛合金磨削的影响，推断出不同磨削工艺条件下的钛合金粘附，并据此判断低温磨削钛合金的磨削效果。
9 H: }6 q/ a" |9 H! F四、实验结果与分析
图3 为在不同磨削工艺条件下测得的磨削力Fn、Ft与磨削深度变化曲线。
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图3 不同工艺条件下磨削力随磨削深度的变化曲线
由图中可以看出，在低温条件下采用ELID磨削钛合金能够有效地降低磨削法向力Fn与切向力Fn，其原因为：
1) 磨粒切削材料的过程可大致分为弹性变形、塑性变形及切屑形成三个阶段，这样在低温条件下，由于钛合金的硬度与低温脆性有所增加，而且其断口形态有从韧窝状向解理性脆断转化的趋势，由此，在低温条件下，磨粒与工件的滑擦与耕犁过程减小，从而减小了钛合金的磨削力；
! w% ~# L( L( Q+ l8 M2) 在低温条件下，能够显著降低磨削区的温度，这样就使钛合金粘附现象产生的必要条件如局部高温等不复存在，因此磨粒和金属表面的亲和力降低，不会与砂轮发生物理性粘结，粘附率降低，磨削力减小；
3) 采用常规方法磨削钛合金，由于钛为活泼的金属元素，并且磨削区温度高，从而造成钛合金新鲜磨削表面在大气中与氧作用，氧扩散到钛合金表层中，造成所谓的污染层。氧扩散会在被磨表面上形成钛的氧化物TiO2、Ti2O3或氧在a-Ti 中的固溶体。氧扩散到钛合金表层后，造成钛合金微薄表层的硬度和强度增加，塑性下降，其结果使磨削力增大，加剧砂轮的磨损。而采用喷射式低温磨削装置，能够使磨削处于隋性气体保护下进行，这样就避免了上述常规磨削的缺点，从而使磨削力降低，工件表面的磨削质量提高；
4 z+ Y4 P5 a) i4 Q# E- X4) 在低温条件下结合线修整(ELID)磨削技术能够长时间保持磨粒的锋锐性，增加砂轮的容屑空间，避免砂轮堵塞，从此方面来说亦可减小钛合金的磨削力。
/ b0 x/ A; _* S. w& u# F* \' C五、结论
液氮喷雾式低温ELID磨削钛合金能够有效地降低钛合金磨削力及磨削区温度，从而使砂轮表面钛合金粘附明显减小。
$ b/ G; h" v) _7 \7 E# c& y采用喷雾式低温磨削装置使钛合金磨削处于惰性气体保护氛围，减少了钛合金表层污染。
以液氮取代钛合金磨削液，对周边环境及操作者没有污染与伤害，有利于实现绿色制造。
文章关键词： 钛合金磨削力