沈阳黎明航空零部件制造有限公司 辽宁沈阳 110043
摘要：文章主要是分析了树脂结合剂和陶瓷结合剂刚玉砂轮以及绿色碳化硅砂轮磨削钛合金的过程中所造成的磨削烧伤以及磨削裂纹的情况，同时提出了可行性的解决方案，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：碳合金；磨削；磨削烧伤；
1、前言
由于钛合金在磨削的过程中存在了较为严重的砂轮粘附情况，而磨削力和温度都较高的情况下容易造成磨削的烧伤和裂纹的现象出现，尤其是在用树脂结合剂刚玉砂轮磨削钛合金的情况下，会造成十分严重的磨削裂缝。
2、树脂结合剂砂轮磨削钛合金
在用棕刚玉和白刚玉混合的树脂结合剂砂轮(A/WA60M5B磨削TC4钛合金时,即使在磨削深度ap=0.01mm的小磨削用量下磨削,磨削表面也会发生磨削烧伤和磨削裂纹。此时,磨削表面有较多的黄褐色斑,裂纹呈发纹状,其方向大致与磨削方向垂直。在较大的磨削用量下磨削时,磨削表面除有较明显的裂纹及较多的黄褐色斑外,还有鱼鳞状皱叠和剧烈塑性变形的金属熔复物。当采用绿色碳化硅树脂结合剂砂轮(GC70M5B)磨削TC4钛合金时,磨削烧伤程度较轻,磨削表面呈淡黄色。磨削用量较大时,例如ap=0.03mm,尽管在磨削表面上出现了因塑性挤压变形和温度综合作用而形成的鱼鳞状皱叠和涂复物,并伴有脱落的钝化磨粒嵌入已加工表面,但未出现磨削裂纹。磨削烧伤和磨削裂纹与磨削过程中的磨削温度和磨削力有关。用树脂砂轮磨削钛合金时,由于砂轮磨粒与钛合金粘附较严重,又由于该材料的磨削加工性差,因而使磨削温度和磨削力较高。砂轮(A/WA60M5B)及绿色碳化硅树脂砂轮(GC70M5B)磨削TC4钛合金的磨削温度和磨削力。在同样磨削条件下,刚玉树脂砂轮的磨削温度和磨削力高于绿色碳化硅树脂砂轮。若选用的磨削用量为vs=19m·s-1,vw=14m·min-1,ap=0.01mm,GC70M5B砂轮磨削TC4的单位宽度法向0.01mm,GC70M5B砂轮磨削TC4的单位宽度法向磨削力F′n≈9N·mm-1,磨削温度T≈560℃,而用磨削力F′n≈9N·mm-1,磨削温度T≈560℃,而用WA60M5B砂轮磨削TC4的F′n≈11N·mm-1,T≈780℃。刚玉树脂砂轮的磨削温度是相当高的。当ap=0.03mm时,磨削区平均温度将达到900℃。同样磨=0.03mm时,磨削区平均温度将达到900℃。同样磨削条件下,刚玉树脂砂轮磨削温度偏高的重要原因之一是因刚玉系磨料的热导率远低于碳化硅系磨料的热导率。
3、陶瓷结合剂砂轮磨削钛合金
用白刚玉陶瓷结合剂砂轮(WA60K5V)磨削TC4钛合金(vs=20m·s-1,vw=12m·min-1,ap=钛合金(vs=20m·s-1,vw=12m·min-1,ap=0.03mm)时,磨削表面有较突出的皱叠和涂复物,但未出现磨削裂纹。然而若用硬度等级较高的棕刚玉砂轮(A100P5V)及较大的磨削深度(ap=0.04mm)磨削Ti-22钛合金,并采用碱水冷却,则在磨削表面上出现较严重的网状裂纹。若采用铈碳化硅砂轮(GC80K5V)磨削Ti-22钛合金,则可避免裂纹的发生。另外,用碳化硅陶瓷结合剂砂轮磨削TC4钛合金,也不易出现磨削裂纹。绿色碳化硅陶瓷结合剂砂轮磨削TC4钛合金的磨削力和磨削温度。陶瓷结合剂砂轮的磨削温度和磨削力要比树脂结合剂砂轮低。因此,在用绿色碳化硅陶瓷结合剂砂轮磨削钛合金(ap≤0.02mm)时,磨削表面不出现烧伤色斑;磨削深度ap略大时(ap=0.03mm),出现浅黄烧伤色斑,但不出现裂纹。陶瓷结合剂砂轮的磨削温度比树脂结合剂砂轮低,与结合剂物理化学性能和砂轮结构特点等有关。树脂结合剂砂轮以酚醛树脂的应用最为广泛,这种树脂的导热性差,磨削时热量集中在砂轮表面上,使磨削区温度升高。酚醛树脂的热导率为00023W·(cm·℃)-1,另外,树脂砂轮的气孔率很低,而陶瓷结合剂砂轮的气孔率高,因而用陶瓷结合剂低,而陶瓷结合剂砂轮的气孔率高,因而用陶瓷结合剂砂轮磨削时,不仅磨削液的冷却效率高,而且便于传热。
4、磨削烧伤和磨削裂纹的抑制措施
抑制钛合金磨削烧伤和磨削裂纹的根本措施是降低磨削温度。
4.1、合理选择砂轮特性参数和磨削用量
在用普通磨料砂轮磨削时,应首先选用绿色碳化硅(GC)砂轮或铈碳化硅(CC)砂轮。另外,除非因安全因素限制需采用树脂结合剂砂轮,一般都应选用陶瓷结合剂砂轮。砂轮硬度也是一项重要参数,选用中软(K)级、软(H)级绿色碳化硅砂轮或较软(G)级铈碳化硅砂轮磨削钛合金,可获得较低的磨削温度。为了避免磨削烧伤和磨削裂纹,应严格控制磨削钛合金的磨削用量。一般情况下,砂轮速度vs取为15～20m·s-1,磨削深度ap取为0.01-0.02mm。
4.2、合理选用磨削液
磨削液对钛合金磨削中的砂轮粘附有很大的影响,性能优良的磨削液会使磨粒与工件、磨粒与磨屑之间生成润滑膜,有效地减小粘附程度,降低磨削温度[3]。4种不同磨削液对磨削温度和磨削力的影响。GF—1为亚硝酸钠水基磨削液;GF—2为含氯极压磨削油;GF—3为无氯极压磨削油;GF—4为硫化切削油。利用极压磨削油可使磨削温度和磨削力降低,与水基磨削液相比,磨削温度约降低27%,磨削力约减小32%。
4.3、采用立方氮化硼(CBN)砂轮磨削钛合金
用CBN砂轮磨削钛合金可取得很好的磨削效果,磨削力和磨削温度均显著下降(附表),磨削用量合理,磨削表面不会出现磨削烧伤和磨削裂纹。另外,用金刚石超硬磨料砂轮磨削钛合金也会取得良好的磨削效果。
4.4、采用浸渗固体润滑剂的陶瓷结合剂普通磨料砂轮磨削钛合金
将固体润滑剂预先渗进砂轮气孔中,并使其沿磨粒表面形成一层致密的固体润滑膜。磨削时,固体润滑膜在磨削热作用下熔化,直接作用于磨削接触区。由于浸渗剂中含有冷却润滑剂和抗粘附添加剂等,因而减小磨削力,降低磨削温度。使用GC60KV砂轮,以vs=19m·s-1,vw=14m·min-1,ap=0.01mm的磨削用量干磨削钛合金,若砂轮浸渗以硬脂酸为基础的复合物,则浸渗砂轮与未经浸渗的砂轮相比,切向磨削力约降低15%,磨削温度大约降低一半,由原来的400℃降为210℃。
5、结束语
由上可知，在使用树脂结合剂刚玉砂轮磨削钛合金的情况下回造成磨削裂缝的出现，为此有能有效抑制磨削烧伤以及裂缝的出现，有关人员应当要采取到有效的解决措施，才能避免磨削烧伤以及磨削裂缝的情况出现。
参考文献
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[5]吴英龙,SchoolofAeronauticsandAstronautics,ZhejiangUniversity,等.基于断口分析的钛合金轮内部缺陷损伤容限[J].航空动力学报,2020(2):358-367.