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一、前言

精 密和半精密磨削鈦合金時，由於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)鈦及鈦合金材料導熱、導溫係數小，僅為鋁及 鋁合金熱導率的1/15，鋼熱導率的1/5。低的導熱、導溫率使其在磨削加工中，磨削熱不易散發，還會產生加工粘結現象。(2)鈦及鈦合金在高溫時化學活 性高，由於磨削溫度高，磨屑易於空氣中的氧、氮等元素發生化學反應形成，加快砂輪的磨損。摩擦係數大，彈性模量小，屈服強度比大，這種特性會使加工零件表 面產生較大的回彈變形，從而造成磨削力大，並影響加工精度。

由於鈦合金具有化學活性高、粘、韌等特點， 加上 磨粒磨削點局部高溫和壓力作用，磨粒和金屬表面會因親和力而發生物理性粘結。鈦合金磨削過程中的粘附問題將使砂輪加快損耗，影響工件的加工表面質量，而且 造成了鈦合金磨削力的大小不僅取決於切削工件材料產生的力，而且取決於粘附到工作磨粒上的鈦合金材料與工件表面相互接觸產生的力。

針對以上對鈦合金精密和半精密磨削中存在問題，採用液氮作為冷卻介質，降低鈦合金的磨削溫度，改變其材料性質，減少鈦合金在磨削過程中的粘附現象，並從磨削力隨磨削深度的變化趨勢及鈦合金磨削機理等方面，研究了低溫對鈦合金磨削的影響。

a)18℃衝擊斷口	b)-40℃衝擊斷口	c)-196℃衝擊斷口
圖1 不同溫度下鈦合金衝擊斷口微觀表面形貌

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，進行了鈦合金低溫性能實驗。實驗結果表明，隨著溫度降低，鈦合金的硬度和脆性增加，衝擊韌性降低。圖1 為不同溫度下鈦合金的衝擊斷口微觀表面形貌照片。當溫度由室溫降至液氮溫度(-196℃)時，其斷裂表面形貌由塑性韌窩狀斷口向脆性解理狀斷口轉變。由此 可知，如使磨削處於低溫狀態，可以使鈦合金的塑性降低，增加其脆性，從而使其適合於磨削。

三、低溫磨削實驗裝置與實驗條件

實 驗採用的方法原理如圖2所示。試件裝夾在KISTLER三向壓電晶體測力儀上，液氮噴嘴將液氮直接噴射入磨削區。由此，磨削過程中產 生的力的信號經電荷放大器轉變為放大的電壓信號，然後經A/D數據採集卡轉變為數字信號輸入計算機，最後對所採集的數據進行計算機處理，在本實驗中主要測 量鈦合金磨削過程中所產生的法向力F_n與切向力F_t。

圖2 低溫磨削鈦合金實驗裝置原理

實驗條件

• 磨床：MM7120A 精密平面磨床
• 砂輪：W10 鐵基結合劑 CBN砂輪
• 砂輪最大線速度：V_s=14m/s
• 進給速度：V_w=5.8m/min
• 磨削工藝：干磨、ELID磨削、ELID結合液氮噴霧冷卻低溫磨削

實驗過程中，採用兩種不同的磨削工藝方法，對鈦合金磨削過程中所產生的磨削力F_n、F_t進 行測量，W10鐵基結合劑CBN砂輪採用電火花方法整形，並應用ELID技術進行在線電解預修銳。通過比較兩種不同磨削工藝條件下，鈦合金磨削力隨磨削深 度變化的趨勢及大小， 以及對不同磨削工藝條件下所磨工件表面進行微觀形貌分析， 可以看出低溫對鈦合金磨削的影響， 推斷出不同磨削工藝條件下的鈦合金粘附，並據此判斷低溫磨削鈦合金的磨削效果。

四、實驗結果與分析

圖3 為在不同磨削工藝條件下測得的磨削力F_n、F_t與磨削深度變化曲線。由圖中可以看出， 在低溫條件下採用ELID磨削鈦合金能夠有效地降低磨削法向力F_n與切向力F_n， 其原因為：

圖3 不同工藝條件下磨削力隨磨削深度的變化曲線

1. 磨 粒切削材料的過程可大致分為彈性變形、塑性變形及切屑形成三個階段， 這樣在低溫條件下， 由於鈦合金的硬度與低溫脆性有所增加， 而且其斷口形態有從韌窩狀向解理性脆斷轉化的趨勢， 由此， 在低溫條件下， 磨粒與工件的滑擦與耕犁過程減小， 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的溫度， 這樣就使鈦合金粘附現象產生的必要條件如局部高溫等不復存在，因此磨粒和金屬表面的親和力降低，不會與砂輪發生物理性粘結，粘附率降低，磨削力減小；
3. 採用常規方法磨削鈦合金， 由於鈦為活潑的金屬元素，並且磨削區溫度高，從而造成鈦合金新鮮磨削表面在大氣中與氧作用，氧擴散到鈦合金錶層中，造成所謂的污染層。氧擴散會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。氧擴散到鈦合金錶層後，造成鈦合金微薄表層的硬度和強度增加，塑性下降，其結果使磨削力增大，加劇砂輪的磨損。而採用噴射式低溫磨削裝置，能 夠使磨削處於隋性氣體保護下進行，這樣就避免了上述常規磨削的缺點，從而使磨削力降低，工件表面的磨削質量提高;
4. 在低溫條件下結合線修整(ELID)磨削技術能夠長時間保持磨粒的鋒銳性，增加砂輪的容屑空間，避免砂輪堵塞，從此方面來說亦可減小鈦合金的磨削力。

五、結論

1. 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溫度，從而使砂輪表面鈦合金粘附明顯減小。
2. 採用噴霧式低溫磨削裝置使鈦合金磨削處於惰性氣體保護氛圍，減少了鈦合金錶層污染。
3. 以液氮取代鈦合金磨削液，對周邊環境及操作者沒有污染與傷害，有利於實現綠色製造。

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