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钛合金磨削加工技术

发布日期:2018-05-31  浏览次数:276
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  摘 要: 主要是通过对钛合金材料(TC11)性能进行分析后,在加工中如何正确选择砂轮磨料、粒度、硬度、结合剂等参数,调整磨削力、磨削参数保证零件表面加工后不烧伤并提高表面的完整性。
  关键词: 合金;磨损;粘附;烧伤和裂纹
  0 引言
  现阶段,航空发动机零件多数采用钛合金材料,根据装配需求,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证零件表面的质量。由于钛合金材料本身物理机械性能,磨削加工时易出现表面烧伤、表面完整性降低,目前急需解决对钛合金材料磨削的问题,所以选择合适的砂轮是非常必要的。
  1 钛合金材料性能分析
  钛合金的种类大致分为三类,α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。具有比重小,比强高,耐高温,耐腐蚀、超记忆,无磁性,弹性模量低,生物相容性号,这一系列优良的使其在广泛的领域得到应用。钛的熔点为1668℃,沸点为3400℃,高于铁,因此,轻型耐热成为了其优良的基础,可在500℃下长期工作。新型钛合金长期工作温度还要高,在300—350℃下其强度比铝合金高10倍。常用α+β钛合金强度达到1.2GPa,比重0.44MPa,比强度23—27,均高于合金钢。钛合金的抗拉强度可超过1.5GPa,对其加工必须施加很大的力,是典型的难加工材料。
  钛的热导系数为0.036cal,TC11钛合金的导热性能更差。钛的弹性模量约为钢的1/2,加工时回弹性大,容易振动。
  钛合金中含有氧,氢、氮、碳,有时还包括硅,铁等杂质元素,这些元素进行了强烈的反应,以间隙式存在于晶格中,可使钛合金强度提高,塑性下降,甚至使断裂韧性、低温韧性、疲劳强度、耐蚀性、冷成型和可焊性变坏。钛合金在高温中化学性极高,在一定磨削温度下,钛形成氧化,氮化保护膜,使表面层硬化变脆,降低了弹性,加大了加工硬化程度,磨削时容易贴附,堵塞砂轮,造成磨削过热,表面完整性降低。
  2 钛合金磨削砂轮的选择
  2.1 钛合金磨削要求砂轮粘附小,磨损小,不易堵塞,磨削温度低
  这主要包括磨料的粒度结合剂组织形状尺寸。普通砂轮由磨料结合剂和气孔组成。磨料作用是磨削被加工材料形成符合要求的表面。结合剂的作用是把磨料粘结到一起,形成一定形状和硬度,使磨粒在磨削过程中保持稳定的运动轨迹,并能自脱。气孔是在磨削进程中起到排屑,冷却兼有润滑作用。普通磨料包括刚玉系列(氧化铝),和碳化硅系列。磨削钛合金应选择碳化硅砂轮。
  2.2 结合剂的选择
  结合剂分树脂和陶瓷两种:
  1)陶瓷结合剂颗粒能力强,热稳定性与化学稳定性好,防水,耐热,耐腐蚀,磨损小,长时间保持磨削性能,具有多孔性,不易堵塞,生产率高。脆性大,不能经受较大冲击负荷。
  2)树脂结合剂砂轮强度高,有弹性,耐冲击好,热稳定性差,耐腐蚀性差,高温下会软化失去强度。
  磨削钛合金应选陶瓷结合剂砂轮。
  2.3 粒度的选择
  磨削钛合金通常采用36#—80#粒度。
  2.4 砂轮组织硬度
  磨削钛合金通常应选择较软硬度或者中等硬度,组织较松的大气孔砂轮。
  3 钛合金磨削过程中磨削力的分析
  在用碳化硅、氧化铝砂轮磨削钛合金时,磨屑易贴附于砂轮表面,磨削力较大,砂轮磨损严重,导致工件表面质量下降。
  1)磨削力与各磨削参数之间的关系。选择合理的磨削参数以控制磨削力大小,进而改善磨削质量,是钛合金磨削的关键,钛合金磨削过程中的磨削力是有切削和摩擦两部分组成的,这两部分所占有的比例各有不同。钛合金的磨削中切屑变形力是主要的,占了磨削力中大部分约为摩擦力的三倍。但与一般金属材料相比,其摩擦力所占的比例大得多。这与钛合金材料的性质有很大的关系,钛合金弹性模量小,热导率低,化学活性高,粘,韧。在磨削中砂轮粘附严重,导致摩擦力增加。而摩擦力受砂轮线速度影响小,受磨削深度影响大。所以,要控制磨削力,因采用适当的磨削深度和磨削线速度。钛合金磨削中摩擦系数随线速度增加而增加。在摩擦学中,摩擦系数与相对滑动的关系。只有当载荷趋大时,摩擦系数才有随滑动速度增加而增大的趋势。在磨削中,每个磨粒承受了相当大的应力。所有摩擦系数受磨削参数变化影响很大。
  2)切屑变形力与磨削深度的线性关系由于存在着尺寸效应,从断裂力学基本原理出发,事实上磨削过程是裂纹扩张过程。尺寸效应主要由磨削力中的切屑变形力引起。而金属磨除率与法向磨削力的关系,其实并不止取决于工件材料和砂轮的修整情况,因为同样存在尺寸效应的影响。
  3)磨削深度对金属磨除比影响很大,这是由于尺寸效应的作用。工件速度影响要小的多,使得法向力与金属磨除比呈非线性关系。
  综合上述:磨削钛合金材料应选择磨削参数:转速45M/S,切削深0.01—0.02mm。
  4 钛合金磨削烧伤机理分析
  钛合金磨削过程中存在较严重的砂轮粘附,磨削力和磨削温度都很高,因而容易产生磨削烧伤和裂纹。
  用普通磨料磨削钛合金时,即使磨削深度用量很小,磨削表面也会发生磨削烧伤和裂纹。大致表现为黄褐色斑,发纹状裂纹,其方向与磨削方向垂直,用大磨削用量则表面还会有鱼鳞状皱叠和塑性变形的金属熔敷物。这是一些什么物质呢?我们看看碳化硅磨粒磨削钛合金使得化学反应式:SiC+Ti→TiC+Si,再看看碳化硅磨粒在一定大气温度下氧化反应式:SiC+2O2→SiO2+CO2。
  其中一部分碳原子会向被磨削工件表面扩散,在滑擦剪切力的作用下,SiO2氧化膜剥离,造成SiC磨粒氧化磨损,而工件表面留下氧、碳元素的扩散层,反作用于磨粒表面产生失去碳弱化层,SiC磨粒硬度强度下降,磨削力增大,砂轮磨损加剧,磨削温度升高在所难免。从微观上将,磨粒和粘附形成的过程是切削刃先出现小面积粘附逐渐大面积粘附,磨粒微细破碎,然后磨粒破碎脱落,钛合金磨削区产生塑性变形。磨粒与工件相互粘结,这中间既有物理吸附作用,又有化学吸附作用,在加上相对滑擦的剪切力,被加工材料向磨粒转移,这是砂轮粘附的整个过程。   砂轮粘附极易造成堵塞,使磨削区温度升高,磨削表面沿工件层发生分布型磨削烧伤,伴有变质层和残余应力。
  磨削冷却过程中在磨削深度较大时,磨削表面所产生的氧化膜密度达到超过临界温度,磨削弧区温度就会因磨削液的成膜沸腾而急剧升高,冷却效果变差。当升高的温度超过了普通磨料所能承受的极限时,磨粒会因软化破坏而脱落。所以需要选用新型的超硬砂轮,进一步增加磨削弧区的高温耐受程度。
  5 钛合金磨削表面完整性分析
  表面完整性是评价工业产品表面质量的一个重要指标。机械加工的根本任务就是在特定条件下将工件转化为能完成特定功能的零件,而零件的表面质量是影响其使用性能的主要因素。表面完整性就是指表面粗糙度,表面残余应力,表层组织状态的完好程度。包括零件加工后的表面纹理,表面冶金质量。表面纹理主要包括粗糙度,波纹度,宏观裂纹,皱褶和撕裂。表层冶金质量主要包括微观结构变化,在结晶层,晶格间腐蚀微观裂纹残余应力,合金贫化等。
  6 试验结论
  综上所述,在生产实践中通过仔细观察,测量钛合金磨削表面完整性的变化,调整合适的磨削参数,选用物理方法和化学方法进一步改善磨削过程中的散热以及润滑性。最终选择碳化硅、陶瓷结合剂、80#粒度、较软硬度或者中等硬度,组织较松的大气孔砂轮是加工钛合金磨削的最优化方案。
  7 磨削加工中安全操作规程
  7.1 安装砂轮
  1)对砂轮进行全面检查,发现砂轮质量、硬度和外观裂纹缺陷时不能使用。
  2)法兰盘与砂轮之间要垫好衬垫。
  3)直径大于或等于200mm的砂轮装上砂轮卡盘后,应先进行静平衡。
  7.2 操作中
  1)操作时要戴防护眼镜。
  2)检查砂轮是否松动、有裂纹、防护罩是否牢固、可靠,发现问题时不准开动。
  3)砂轮转速不准超限,进给前要选择合理的吃刀量,要缓慢进给。
  4)装卸工件时,砂轮要退到安全位置。
  5)砂轮未退离工件时,不得停止砂轮。
  8 结束语
  本文通过以上对钛合金材料性能、磨削力、磨削参数的分析及如何选择适合新型的砂轮的磨料,最终通过实际零件的反复加工,从中摸索出实际适合加工钛合金材料的砂轮,加工后确保零件的表面完整性,解决了钛合金磨削问题,提高了生产效率,这只是对钛合金材料(TC11)初步的总结和探讨,希望对钛合金材料需要磨削的航空产品有所帮助。
  参考文献:
  [1]潘金生等主编,《材料科学基础》,清华大学出版社,2005.3.
  [2]工程材料实用手册编辑委员会编,《工程材料实用手册》,中国标准出版社,1989.
  [3]孟少农主编,《机械加工工艺手册》,机械工业出版社,1992.1.

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