1.背景
钛合金管材作为一种先进的轻量化结构材料，具有优异的综合性能，其密度小，比强度高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，抗蚀性能优异，焊接性能良好等，因此在航空、航天、汽车、造船、能源等行业具有日益广泛的应用前景。如图1为飞机液压管路用钛合金管材，图2为医疗器械用钛合金管材。但由于钛合金材料的导热系数低，摩擦系数大，使磨削过程产生大量的热量又不能迅速传出，容易引起磨削零件的烧伤。
砂带磨削技术具有“冷态磨削”之称，因其磨削温度低、磨削力小、加工效率高等特点而成为一种有前景的钛合金磨削抛光的加工方法。
针对钛合金砂带磨削中的磨削率及表面粗糙度等问题，我们进行了如单因素试验和正交试验等一系列的性能试验研究，得到了很多十分有用的结论。本次试验的研究不但可以改善钛合金的磨削表面质量，而且有助于扩大钛合金的应用范围，对生产实践有理论指导意义。
2、试验装置及试验条件
2.1试验装置
本试验是在重庆三磨海达磨床有限公司和重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心研发的小型无心外圆砂带磨削机床上进行的，如图3、4所示，机床由砂带磨头、驱动装置、工装与夹具、电气控制系统等部分构成。以砂带作磨具，采用典型无心外圆磨削技术，工件在进给轮、驱动轮和托板、托轮等共同作用下，进行管材外圆磨削，实现粗磨、精磨和抛光(如图5所示)。该机床可以进行各种等径轴类、杆件、管件外面圆表面磨削抛光。如工程机械液压杆、汽车及摩托车减震器杆、气门杆、油田抽油光杆，以及有色金属棒、管、塑料、橡胶管、纺机光杆和各种线材的加工。
结合上述机床的各种优点，并通过控制砂带粒度、砂带线速度、进给速度、接触轮硬度等参数，在此机床上进行了单因素试验和正交试验，得出了影响砂带磨削钛合金磨削率及表面粗糙度的关键因素。
2.2试验条件
表1显示了本次试验的工艺条件。由于与砂轮磨削相类似，砂带磨削也是一个极为复杂的过程，涉及多个影响因素，且错综复杂。不同的条件，不同的磨削参数会产生不同的磨削效果。因而分析各种条件和参数对砂带磨削性能的影响，对于正确使用砂带磨削这一技术是十分重要的。
在进行具体磨削试验时，首先通过单因素试验，测试磨削过程中影响磨削率的主要因素，然后通过正交试验分析不同条件下砂带磨削钛合金管材的表面粗糙度的情况，并得出影响粗糙度的主要因素。
3、磨削率试验结果分析
通过对钛合金材料砂带磨削加工效率的理论分析和试验研究。结果表明：砂带磨削的材料去除效率与其自身的结构特性和表面形貌以及加工方式有密切关系。
(1)图6显示了在法向磨削压力一定的条件下，砂带线速度对钛合金材料去除率的影响规律。从图中可以看出：
①在一定范围内，材料去除率Zw随砂带线速度Vs增加而增加，但Vs增加到一定的限度，Zw随即减小;②对应较好的磨削效果存在最佳的线速度值，材料去除率达到最大值;因此，对不同的砂带可以找到一个最佳的磨削速度范围，然后选择在此范围内将保证较高的材料去除率。
(2)随着时间的变化，砂带磨损对材料去除率的影响也是很明显的。在磨削初期，砂带刃形锋利，参加切削的磨粒数目较多，虽然磨损率较大，但磨粒磨损问题还不很大，因而这个阶段砂带切削能力，材料切除效率最大。随着磨削过程的进行，砂带进入稳定的磨损阶段，此时磨粒在经过初期的顶尖破碎、折断或部分脱落以后，锋利性降低，切削能力相对减弱，材料去除效率也减小，但减少不多，曲线比较平缓，如图7所示。
(3)法向磨削力也是影响材料去除率极为重要的因素之一：
由图8可看出，对TC4钛合金进行变压力磨削时，材料切除率与法向压力间无明显规律可循。其法向磨削压力临界值及对应的材料切除率如表2所示。
4、表面粗糙度正交试验结果分析
正交试验在小型无心外圆砂带磨床上进行，采取恒压力外圆工件纵向进给试验方法进行研究。正交试验因素水平如表3所示，试验结果如表4所示。
表面粗糙度和各磨削参数之间存在着复杂的指数关系，形式表示为：
Ra=KPb1Vgb2 VSb3Db4 Fb5
式中: Ra为表面粗糙度;K为比例系数;P为砂带粒度;Vg为工件轴向进给速度;Vs为砂带线速度;D为接触轮硬度;F为磨削压力;b1、b2、b3、b4、b5分别为各变量的指数。
将正交试验结果数据代入式(1)中，最终得到砂带磨削钛合金表面粗糙度的预测模型为：
Ra=451.06 P-0.9387 Vg0.0120 VS-0.2317 D0.0204 F-0.115
由回归系数显著性检验可知，对于表面粗糙度，砂带粒度和砂带线速度对其影响很大;磨削压力有一定影响;接触轮硬度和工件轴向进给速度影响不明显。
由正交试验结果并结合单因素试验结果，可以得到砂带粒度、砂带线速度、接触轮硬度和磨削压力对表面粗糙度的影响，如图(a)、(b)、(c)、(d)所示。
（a） 砂带线速度对表面粗糙度的影响
（b） 砂带粒度对表面粗糙度的影响
（c） 接触轮硬度对表面粗糙度的影响
(d) 磨削压力对表面粗糙度的影响
由此可知图(a)、(b)、(c)、(d)的结论与正交试验结果相符合。
5、结论
本试验研究结果表明：
(1)外圆砂带磨削钛合金时，材料去除率受砂带线速度、磨削压力、工件材料、磨料种类及粒度等的影响较大。其中法向磨削压力越大，材料去除率越大;随着砂带线速度增大，材料去除率先增大后减小。
(2)通过选定参数试验建立了砂带磨削钛合金的表面粗糙度预测模型，并得出：对于表面粗糙度，砂带粒度和砂带线速度影响显著;磨削压力影响一般;接触轮硬度和工件轴向进给速度影响不明显。单因素试验结论和正交试验结果相符合。
