低溫ELID磨削鈦合金磨削力的實(shí)驗(yàn)研究

一、前言精密和半精密磨削鈦合金時(shí)，由于鈦合金的材料特性造成了其磨削困難。這主要是以下幾方面的原因：(1)鈦及鈦合金材料導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)小，僅為鋁及鋁合金熱導(dǎo)率的1/15，鋼熱導(dǎo)率的1/5。低的導(dǎo)熱、導(dǎo)溫率使其在磨削加工中，磨削熱不易散發(fā)，還會(huì)產(chǎn)生加工粘結(jié)現(xiàn)象。(2)鈦及鈦合金在高溫時(shí)化學(xué)活性高，由于磨削溫度高，磨屑易于空氣中的氧、氮等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成，加快砂輪的磨損。摩擦系數(shù)大，彈性模量小，屈服強(qiáng)度比大，這種特性會(huì)使加工零件表面產(chǎn)生較大的回彈變形，從而造成磨削力大，并影響加工精度。由于鈦合金具有化學(xué)活性高、粘、韌等特點(diǎn)，加上磨粒磨削點(diǎn)局部高溫和壓力作用，磨粒和金屬表面會(huì)因親和力而發(fā)生物理性粘結(jié)。鈦合金磨削過(guò)程中的粘附問(wèn)題將使砂輪加快損耗，影響工件的加工表面質(zhì)量，而且造成了鈦合金磨削力的大小不僅取決于切削工件材料產(chǎn)生的力，而且取決于粘附到工作磨粒上的鈦合金材料與工件表面相互接觸產(chǎn)生的力。針對(duì)以上對(duì)鈦合金精密和半精密磨削中存在問(wèn)題，采用液氮作為冷卻介質(zhì)，降低鈦合金的磨削溫度，改變其材料性質(zhì)，減少鈦合金在磨削過(guò)程中的粘附現(xiàn)象，并從磨削力隨磨削深度的變化趨勢(shì)及鈦合金磨削機(jī)理等方面，研究了低溫對(duì)鈦合金磨削的影響。

　　二、鈦合金(TC4)低溫性能的研究為了研究鈦合金的低溫加工性能，進(jìn)行了鈦合金低溫性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度降低，鈦合金的硬度和脆性增加，沖擊韌性降低。圖1為不同溫度下鈦合金的沖擊斷口微觀表面形貌照片。當(dāng)溫度由室溫降至液氮溫度(-196℃)時(shí)，其斷裂表面形貌由塑性韌窩狀斷口向脆性解理狀斷口轉(zhuǎn)變。由此可知，如使磨削處于低溫狀態(tài)，可以使鈦合金的塑性降低，增加其脆性，從而使其適合于磨削。圖1不同溫度下鈦合金沖擊斷口微觀表面形貌

　　三、低溫磨削實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)采用的方法原理如圖2所示。圖2低溫磨削鈦合金實(shí)驗(yàn)裝置原理試件裝夾在KISTLER三向壓電晶體測(cè)力儀上，液氮噴嘴將液氮直接噴射入磨削區(qū)。由此，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的力的信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯蟮碾妷盒盘?hào)，然后經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，最后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，在本實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)量鈦合金磨削過(guò)程中所產(chǎn)生的法向力Fn與切向力Ft。實(shí)驗(yàn)條件磨床：MM7120A精密平面磨床砂輪：W10鐵基結(jié)合劑CBN砂輪砂輪最大線速度：Vs=14m/s進(jìn)給速度：Vw=5.8m/min磨削工藝：干磨、ELID磨削、ELID結(jié)合液氮噴霧冷卻低溫磨削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用兩種不同的磨削工藝方法，對(duì)鈦合金磨削過(guò)程中所產(chǎn)生的磨削力Fn、Ft進(jìn)行測(cè)量，W10鐵基結(jié)合劑CBN砂輪采用電火花方法整形，并應(yīng)用ELID技術(shù)進(jìn)行在線電解預(yù)修銳。通過(guò)比較兩種不同磨削工藝條件下，鈦合金磨削力隨磨削深度變化的趨勢(shì)及大小，以及對(duì)不同磨削工藝條件下所磨工件表面進(jìn)行微觀形貌分析，可以看出低溫對(duì)鈦合金磨削的影響，推斷出不同磨削工藝條件下的鈦合金粘附，并據(jù)此判斷低溫磨削鈦合金的磨削效果。

　　四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖3為在不同磨削工藝條件下測(cè)得的磨削力Fn、Ft與磨削深度變化曲線。圖3不同工藝條件下磨削力隨磨削深度的變化曲線由圖中可以看出，在低溫條件下采用ELID磨削鈦合金能夠有效地降低磨削法向力Fn與切向力Fn，其原因?yàn)椋?)磨粒切削材料的過(guò)程可大致分為彈性變形、塑性變形及切屑形成三個(gè)階段，這樣在低溫條件下，由于鈦合金的硬度與低溫脆性有所增加，而且其斷口形態(tài)有從韌窩狀向解理性脆斷轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，由此，在低溫條件下，磨粒與工件的滑擦與耕犁過(guò)程減小，從而減小了鈦合金的磨削力；2)在低溫條件下，能夠顯著降低磨削區(qū)的溫度，這樣就使鈦合金粘附現(xiàn)象產(chǎn)生的必要條件如局部高溫等不復(fù)存在，因此磨粒和金屬表面的親和力降低，不會(huì)與砂輪發(fā)生物理性粘結(jié)，粘附率降低，磨削力減小；3)采用常規(guī)方法磨削鈦合金，由于鈦為活潑的金屬元素，并且磨削區(qū)溫度高，從而造成鈦合金新鮮磨削表面在大氣中與氧作用，氧擴(kuò)散到鈦合金表層中，造成所謂的污染層。氧擴(kuò)散會(huì)在被磨表面上形成鈦的氧化物TiO2、Ti2O3或氧在a-Ti中的固溶體。氧擴(kuò)散到鈦合金表層后，造成鈦合金微薄表層的硬度和強(qiáng)度增加，塑性下降，其結(jié)果使磨削力增大，加劇砂輪的磨損。而采用噴射式低溫磨削裝置，能夠使磨削處于隋性氣體保護(hù)下進(jìn)行，這樣就避免了上述常規(guī)磨削的缺點(diǎn)，從而使磨削力降低，工件表面的磨削質(zhì)量提高；4)在低溫條件下結(jié)合線修整(ELID)磨削技術(shù)能夠長(zhǎng)時(shí)間保持磨粒的鋒銳性，增加砂輪的容屑空間，避免砂輪堵塞，從此方面來(lái)說(shuō)亦可減小鈦合金的磨削力。

　　五、結(jié)論液氮噴霧式低溫ELID磨削鈦合金能夠有效地降低鈦合金磨削力及磨削區(qū)溫度，從而使砂輪表面鈦合金粘附明顯減小。采用噴霧式低溫磨削裝置使鈦合金磨削處于惰性氣體保護(hù)氛圍，減少了鈦合金表層污染。以液氮取代鈦合金磨削液，對(duì)周邊環(huán)境及操作者沒(méi)有污染與傷害，有利于實(shí)現(xiàn)綠色制造。