不同CBN砂輪高速加工PTMCs的磨削性能對(duì)比*

李 征， 劉 瑩， 丁文鋒

(1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院， 鄭州 450046) (2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016) (3. 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 450046)

PTMCs(particulate reinforced titanium matrix composites)是一種向鈦合金材料內(nèi)添加了TiC和(或)TiB硬質(zhì)增強(qiáng)相的復(fù)合材料。這些硬脆增強(qiáng)相具有更好和更穩(wěn)定的熱力學(xué)性能，使得PTMCs成為比普通鈦合金性能更加優(yōu)異的“高強(qiáng)、耐熱、輕質(zhì)”材料[1-3]。此外，PTMCs因其更低的密度和優(yōu)異的力學(xué)性能，有望代替部分在500～850 ℃環(huán)境中使用的鎳基高溫合金零部件，并使其減重25%～30%[4]。因此，PTMCs有望成為高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

PTMCs內(nèi)部添加的硬脆增強(qiáng)相加大了其切削加工的難度。GE等[5]采用硬質(zhì)合金與PCD刀具開(kāi)展了體積分?jǐn)?shù)為10%的鈦基復(fù)材車(chē)削試驗(yàn)，材料內(nèi)部的增強(qiáng)顆粒包括TiCp和TiBw。研究發(fā)現(xiàn)：加工過(guò)程中PTMCs具有較高的切削溫度，刀具易與材料中的Ti元素發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重磨損；試驗(yàn)過(guò)程中PCD刀具的壽命僅為2 min，而硬質(zhì)合金刀具則不足1 min；同時(shí)，由于PTMCs切削加工效率低和表面質(zhì)量差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)PTMCs的高質(zhì)量高效加工。

與切削加工相比，現(xiàn)代磨削正朝著高精度、高效率的方向發(fā)展[6]。以高速磨削為代表的高效精密磨削技術(shù)在航空航天零部件制造過(guò)程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。湖南大學(xué)在難加工材料高速磨削工藝與裝備方面的研究取得一系列成果，其開(kāi)發(fā)的超高速磨削試驗(yàn)平臺(tái)可以達(dá)到314 m/s的砂輪線速度[7]。在該試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行鈦合金TC4高速(150 m/s)磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：磨削力在高速條件下明顯降低，CBN砂輪更適合加工鈦合金。ZHANG等[8]對(duì)高速加工條件下材料加工損傷機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)：材料的加工損傷隨著速度的提高而降低，損傷主要集中在材料表面，呈現(xiàn)出“趨膚效應(yīng)”。在高應(yīng)變率的高速加工過(guò)程中，材料發(fā)生脆化。同時(shí)，揭示了應(yīng)力波效應(yīng)、材料內(nèi)部的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)和裂紋的形成與擴(kuò)展對(duì)“趨膚效應(yīng)”的作用機(jī)制。黑華征[9]對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金在60～140 m/s的速度范圍內(nèi)開(kāi)展了磨削試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)：陶瓷CBN砂輪磨削的表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.74 μm。在保證磨削表面質(zhì)量的前提下，Ti-6Al-4V鈦合金的材料去除率僅能達(dá)到0.5 mm3/( mm·s)。ZHAO等[10]進(jìn)行了PTMCs高速磨削加工研究，發(fā)現(xiàn)：相比普通磨削，高速磨削可以有效地降低磨削力，改善表面質(zhì)量。

目前，有關(guān)PTMCs高速磨削加工的研究尚處于初級(jí)階段，PTMCs高速磨削依然存在工具壽命短、加工效率低、表面易燒傷和孔洞缺陷嚴(yán)重等問(wèn)題。同時(shí)，CBN超硬磨料因其良好的特性，顯示出比普通磨料更加適合難加工材料磨削加工的優(yōu)勢(shì)[11-12]。

因此，為了能夠更好地發(fā)揮高速磨削在PTMCs高效精密加工方面的優(yōu)勢(shì)，有必要更進(jìn)一步理解CBN砂輪高速磨削PTMCs的磨削性能。采用3種CBN砂輪開(kāi)展PTMCs的高速磨削試驗(yàn)，對(duì)磨削力、溫度、表面粗糙度以及表面形貌進(jìn)行了對(duì)比研究，研究成果可為PTMCs的高效精密磨削加工提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案及方法

選用3種CBN砂輪對(duì)PTMCs進(jìn)行磨削試驗(yàn)，分別為釬焊砂輪、電鍍砂輪和陶瓷砂輪。釬焊砂輪表面磨粒有序排布，而電鍍砂輪和陶瓷砂輪表面磨粒為無(wú)序排布。3種砂輪磨料粒度均為80/100，砂輪尺寸為400 mm (外徑) ×10 mm (寬度)。磨削試驗(yàn)在高速磨床PROFIMAT-408上進(jìn)行，磨削方式為逆磨。采用水基冷卻液對(duì)工件和砂輪進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，磨削用量見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用的PTMCs增強(qiáng)相為T(mén)iC，基體材料是Ti-6Al-4V，采用原位自生成法制成，增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)為10%。

表1 磨削用量

本次磨削試驗(yàn)中，磨削力信號(hào)由力傳感器采集，磨削溫度信號(hào)由半人工熱電偶法獲得。圖1為磨削力和溫度測(cè)量系統(tǒng)。圖2為釬焊砂輪磨削PTMCs所測(cè)得的典型磨削力和溫度的信號(hào)曲線。

圖1 磨削力與溫度測(cè)量系統(tǒng)Fig. 1 Test system of grinding force and temperature

(a) 磨削力 Grinding force(b) 磨削溫度 Grinding temperature圖2 磨削PTMCs的信號(hào)曲線Fig. 2 Signal curve when grinding PTMCs

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 磨削力

2.1.1 不同磨削速度的影響

圖3所示為磨削速度對(duì)磨削力的影響。在工件進(jìn)給速度vw為3 m/min、磨削深度ap為20 μm條件下，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，無(wú)論是法向磨削力，還是切向磨削力，都隨著磨削速度的升高而減小。這是由于加大磨削速度使單顆磨粒切厚減小，那么磨粒去除材料的體積也相應(yīng)減小，故磨削力減小。另一方面，磨削速度的升高使得磨削溫度快速升高，材料的熱軟化作用減小了PTMCs的屈服強(qiáng)度，致使去除材料成屑所需的力減小，故磨削力減小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)：3種砂輪中釬焊砂輪的磨削力最低，用Kqt和Kqd表示釬焊砂輪磨削力相對(duì)陶瓷和電鍍砂輪的磨削力的減小幅度，則有：

(a) 法向力 Normal force

Kqt=(Ftc-Fq)/Ftc

(1)

Kqd=(Fd-Fq)/Fd

(2)

式中：Ftc、Fd和Fq分別為陶瓷砂輪、電鍍砂輪和釬焊砂輪的磨削力。K值越大，表明釬焊砂輪的磨削力下降越顯著。

當(dāng)磨削速度vs從60 m/s升高至140 m/s時(shí)，釬焊砂輪法向磨削力的Kqt從25.2%增大至44.4%，Kqd從16.2%增大至40.0%；切向磨削力的Kqt從23.3%增大至40.0%，Kqd從7.7%增大至31.1%。

2.1.2 不同磨削深度的影響

圖4所示為磨削深度對(duì)磨削力的影響。在磨削速度vs為120 m/s、工件進(jìn)給速度vw為3 m/min條件下，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，在磨削深度增大的過(guò)程中，磨削力都增大。這是因?yàn)橐环矫鎍p的提高使得單顆磨粒切厚增大，故磨削力增大；另一方面，工件與砂輪接觸長(zhǎng)度加長(zhǎng)，載荷增大，故磨削力增大。此外，從圖4還可以看出：3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，釬焊砂輪的磨削力依然最低。具體而言，當(dāng)磨削深度ap從10 μm提高到60 μm時(shí)，釬焊砂輪的法向磨削力對(duì)應(yīng)的Kqt從36.9%增大至40.4%，Kqd從28.1%增大至35.5%；切向磨削力對(duì)應(yīng)的Kqt從37.1%增大至42.9%，Kqd從7.1%增大至20.3%。

(a) 法向力 Normal force

2.1.3 不同工件進(jìn)給速度的影響

圖5所示為工件進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響。在磨削速度vs為120 m/s、磨削深度ap為20 μm條件下，3種砂輪磨削PTMCs的磨削力都隨著工件進(jìn)給速度的升高而逐漸增大。這種現(xiàn)象和提高磨削深度的原因是相似的。此外，從圖5可以看出：當(dāng)工件進(jìn)給速度vw從1 m/min提高到7 m/min時(shí)，對(duì)于法向磨削力，Kqt從32.2%增大至39.6%，Kqd從25.8%增大至35.5%；對(duì)于切向磨削力，Kqt從29.4%增大至44.4%，Kqd從15.2%增大至20.3%。

(a) 法向力 Normal force

從上述分析可以看出：3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，磨削力最小的是釬焊砂輪。這種現(xiàn)象與砂輪地貌有關(guān)。陶瓷砂輪為多層砂輪，而電鍍砂輪和釬焊砂輪表面只有一層磨料。單位面積內(nèi)釬焊砂輪的磨粒數(shù)最少，因此在釬焊砂輪磨削PTMCs時(shí)，參與磨削的磨粒數(shù)最少；另一方面，釬焊砂輪磨粒出露高，砂輪鋒利度增加。所以釬焊砂輪的磨削力小于其他2種砂輪的。

2.2 磨削溫度

圖6所示為磨削用量對(duì)磨削溫度的影響。從圖6中可以看出：隨著磨削用量的增大，3種砂輪磨削PTMCs的磨削溫度顯著升高。一方面，隨著工件進(jìn)給速度vw升高和磨削深度ap的增大，去除材料的體積增大，磨削熱的產(chǎn)生也增多，磨削溫度升高。另一方面，磨削速度的提高加大了氣障的作用，大部分熱量不能被冷卻液帶走，磨削溫度升高。此外，還可以看出釬焊砂輪的磨削溫度依然最低。用Qqt和Qqd表示相同條件下釬焊砂輪磨削溫度相對(duì)其他2種砂輪的減小幅度，則有：

Qqt=(Ttc-Tq)/Ttc

(3)

Qqd=(Td-Tq)/Td

(4)

(a) 磨削速度 Grinding speed

式中：Ttc表示陶瓷砂輪的磨削溫度，Td表示電鍍砂輪的磨削溫度，Tq表示釬焊砂輪的磨削溫度。Q值越大，表明釬焊砂輪的磨削溫度下降的越顯著。釬焊砂輪磨削溫度相對(duì)其他2種砂輪的減小幅度隨著磨削用量的增大呈下降的趨勢(shì)。

圖6a所示為磨削速度的影響。從圖6a可以看出：當(dāng)磨削速度vs從60 m/s升高到140 m/s時(shí)，Qqt從74.3%下降到43.7%，Qqd從58.9%下降到16.7%。圖6b所示為磨削深度的影響。從圖6b可以看出：隨磨削深度從10 μm增大到60 μm，Qqt從66.7%下降到26.0%；Qqd從27.1%下降到14.5%。圖6c所示為工件進(jìn)給速度的影響。從圖6c可以看出：隨著工件進(jìn)給速度的變化，Qqt從66.8%下降到44.6%；Qqd從42.3%下降到27.1%。

表面磨粒有序排布的釬焊砂輪，其容屑空間更大(圖7)，有利于冷卻液的進(jìn)入，且砂輪不易堵塞。因此，在PTMCs磨削過(guò)程中釬焊砂輪的磨削溫度最低。

(a) 陶瓷砂輪Vitrified grinding wheel(b) 電鍍砂輪E-plated grinding wheel(c) 釬焊砂輪Brazed grinding wheel圖7 各砂輪的容屑空間Fig. 7 Crumb space of different grinding wheels

2.3 表面粗糙度

圖8為3種砂輪磨削PTMCs的表面粗糙度隨磨削用量的變化規(guī)律。從圖8a可以看出：加大磨削速度，使釬焊砂輪和電鍍砂輪磨削PTMCs的表面粗糙度減小。陶瓷砂輪磨削表面粗糙度則是先下降后升高，這是因?yàn)椋寒?dāng)vs超過(guò)100 m/s時(shí)，陶瓷砂輪磨削PTMCs時(shí)，磨削表面發(fā)生了磨削燒傷，因此，表面粗糙度升高。從圖8b和圖8c可以看出：隨著ap增大、vw升高，3種砂輪磨削PTMCs的表面粗糙度都逐漸升高。這是由于隨著ap增大、vw升高，材料去除率增大，材料塑性變形程度加大，從而提高了磨削表面粗糙度。總的來(lái)說(shuō)，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，釬焊砂輪可以獲得表面粗糙度最低的磨削表面，表面粗糙度為0.60～0.77 μm。

2.4 表面形貌

當(dāng)vs=120 m/s、vw=5 m/min、ap=20 μm時(shí)，各砂輪磨削PTMCs的表面形貌如圖9所示。

(a) 磨削速度 Grinding speed

(a) 陶瓷砂輪Vitrified grinding wheel(b) 電鍍砂輪E-plated grinding wheel(c) 釬焊砂輪Brazed grinding wheel圖9 各砂輪磨削PTMCs工件表面形貌Fig. 9 Surface topologies of PTMCs workpieces ground by different grinding wheels

從圖9a可以看出：陶瓷砂輪磨削PTMCs的工件表面質(zhì)量最差，磨削表面出現(xiàn)了較深較寬的溝槽，且溝槽兩側(cè)材料涂敷現(xiàn)象較為嚴(yán)重。由于陶瓷砂輪磨削PTMCs時(shí)發(fā)生了燒傷，磨削表面出現(xiàn)了較多垂直于磨削方向的裂紋。相對(duì)陶瓷砂輪，電鍍砂輪磨削PTMCs的表面溝槽變得淺而窄，如圖9b所示。釬焊砂輪磨削的表面形貌質(zhì)量最好，磨削表面紋理連續(xù)且光滑，如圖9c所示。3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，磨削表面都存在增強(qiáng)顆粒去除后在磨削表面形成的孔洞缺陷。

綜上所述，釬焊砂輪在PTMCs高效磨削方面更具優(yōu)勢(shì)：其磨削力更小，磨削溫度更低，磨削表面粗糙度最低，磨削表面紋理連續(xù)且光滑。

3 結(jié)論

采用3種CBN砂輪開(kāi)展了PTMCs的高速磨削試驗(yàn)，對(duì)磨削力、溫度、表面粗糙度以及表面形貌進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)論如下：

(1)3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，磨削力最小的是釬焊砂輪。其法向力和切向力相對(duì)陶瓷砂輪分別降低了16.2%～40.4%和25.2%～44.4%；相對(duì)電鍍砂輪分別降低了7.1%～31.1%和23.3%～31.1%。

(2)3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，磨削溫度最小的仍是釬焊砂輪。其磨削溫度相對(duì)陶瓷砂輪分別降低了26.0%～74.3%；相對(duì)電鍍砂輪分別降低了14.5%～58.9%。

(3)釬焊砂輪可以獲得最低表面粗糙度的磨削表面，表面粗糙度為0.60～0.77 μm，磨削表面紋理連續(xù)且光滑。相對(duì)陶瓷和電鍍砂輪，釬焊砂輪在PTMCs高速磨削方面更具優(yōu)勢(shì)。