作為一種新型的復(fù)合材料，TiAl基合金與鈦合金、鎳基高溫合金相比具有密度小、強(qiáng)度高、高溫抗蠕變性能強(qiáng)、抗氧化性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此其在軍用高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、換熱器單元等領(lǐng)域都存在巨大的應(yīng)用潛能。TiAl基合金已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者熱衷的研究對(duì)象。砂帶磨削作為新型的加工工藝技術(shù)，具有磨削溫度低、加工效率高、功耗低的特點(diǎn)，能夠進(jìn)行磨削、研磨、拋光等加工，享有“冷態(tài)加工”的美譽(yù)。

　　重慶大學(xué)黃云等運(yùn)用砂帶磨削方法已有效地解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)及葉片加工精度的難題。因此，砂帶磨削成為一種有前景的TiAl基合金加工工藝技術(shù)。本文針對(duì)TiAl基合金平板磨削過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)展了一系列性能試驗(yàn)研究。通過(guò)材料去除率、表面粗糙度、磨粒磨損及表面形貌對(duì)TiAl基合金砂帶磨削可行性進(jìn)行分析研究，為優(yōu)化TiAl基合金加工質(zhì)量和成本提供新的思路和方法。

　　1、實(shí)驗(yàn)的條件和方法

　　1.1工件材料

　　本試驗(yàn)所采用的工件材料為T(mén)iAl基合金，其具體組成成分為T(mén)i-44Al-6Nb-0.3C，試件尺寸為200mm×100mm×2mm。TiAl基合金表面及邊緣微觀形貌如圖1所示。

圖 1 TiAl基合金試件

　　從圖1中可以看出TiAl基合金表面及邊緣存在大量的缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行精密加工，以獲得較好的表面質(zhì)量。表1所示為T(mén)iAl基合金與Ti-6Al-4V鈦合金性能參數(shù)的比較，可以明顯看出，TiAl基合金的塑性低、斷裂韌性差，導(dǎo)致其加工性能較差。

　　表 1 TiAl 基合金與鈦合金性能參數(shù)比較

　　1.2磨具材料

　　本試驗(yàn)所采用的磨具材料為EW50氧化鋁砂帶，其尺寸規(guī)格為2450 mm×5   mm。如圖2所示，砂帶磨料粒度為30μm、50μm、100μm，分別對(duì)應(yīng)綠色砂帶、紅色砂帶、黃色砂帶。由于該砂帶為實(shí)心磨粒團(tuán)堆積磨料砂帶，在磨削過(guò)程中具有自銳性，其磨削性能及壽命較好，材料磨削去除量均勻。

圖2 EW50 砂帶實(shí)物及微觀形貌圖

　　1.3實(shí)驗(yàn)裝置和方法

　　如圖 3a所示為本試驗(yàn)的磨削裝置，通過(guò)控制該機(jī)床第七軸( N 軸)   在垂直于工件表面方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可以精確控制磨削壓力，對(duì)TiAl基合金進(jìn)行精密磨削加工。圖   3b為實(shí)際磨削過(guò)程圖，由于TiAl基合金平板較薄，其在磨削過(guò)程中容易發(fā)生彎曲變形。為了提高工件系統(tǒng)的剛度、減小工件的加工變形，試驗(yàn)中采用專用夾具將較厚的鈦合金平板與鈦鋁基合金平板裝夾在一起。

圖 3 砂帶磨削裝置及磨削過(guò)程圖

　　磨削壓力是控制TiAl基合金砂帶磨削材料去除率的重要因素，因此本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法對(duì)TiAl基合金試件進(jìn)行砂帶磨削性能研究，磨削方式為濕磨。參考本課題組磨削鈦合金整體葉盤(pán)及葉片的磨削工藝參數(shù)，確定正交試驗(yàn)因素如表  2 所示。

表 2 鈦鋁合金正交試驗(yàn)因素表

　　2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　本試驗(yàn)主要對(duì)鈦鋁基合金砂帶磨削表面完整性進(jìn)行研究，分別對(duì)材料去除率、表面粗糙度、磨粒磨損以及表面形貌進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。表3為T(mén)iAl基合金試件的正交試驗(yàn)結(jié)果，采用工件磨削后的表面粗糙度與材料去除率作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

表 3 砂帶磨削TiAl基合金的正交試驗(yàn)結(jié)果

　　2.1材料去除率

　　材料去除率是評(píng)價(jià)TiAl基合金砂帶磨削加工的一個(gè)基本評(píng)價(jià)參數(shù)。圖4所示為T(mén)iAl基合金材料去除率正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果。結(jié)果顯示，在當(dāng)前磨削參數(shù)下，各因素對(duì)材料去除率的影響程度依次為磨削壓力、砂帶粒度、砂帶線速度和進(jìn)給速度。材料去除率的優(yōu)化水平組合為A  3 B 3 C 3 D 3。

　　隨著磨削壓力的增大，接觸輪變形增加，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的有效磨粒數(shù)量和磨削面積增大，磨粒的有效切削深度增加，材料去除率呈線性增加。但由于接觸輪變形的限制，磨削壓力過(guò)大并不能提高材料的去除率;  相反，它會(huì)導(dǎo)致砂帶磨損而降低材料去除率。因此，合理控制磨削壓力對(duì)于提高砂帶磨削效率和使用壽命具有重要意義。

圖 4 TiAl 基合金材料去除率正交試驗(yàn)極差分析

　　隨著砂帶線速度的增加單位時(shí)間參與磨削的磨粒數(shù)增加，加之鈍化的磨粒在高速條件下也能產(chǎn)生磨削，因此材料去除率快速增加。隨著進(jìn)給速度的增加單位時(shí)間內(nèi)磨削區(qū)域面積增加，材料去除率增加。隨著砂帶線速度和進(jìn)給速度的繼續(xù)增大，工件表面對(duì)砂帶的沖擊頻率增大，從而導(dǎo)致砂帶磨粒實(shí)際磨削深度減小，因此材料去除率在砂帶線速度較大時(shí)增加緩慢。

　　隨著砂帶粒度的不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)每顆磨粒的切削深度和切削能力都增加，因此材料的去除率增加。材料去除率和磨粒磨損最終將保持動(dòng)態(tài)平衡，即材料去除率越高，損耗的能量越大，砂帶磨損率越大。

　　2.2表面粗糙度

　　圖5是TiAl基合金表面粗糙度正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果。結(jié)果顯示，各因素對(duì)表面粗糙度的影響程度依次為砂帶粒度、磨削壓力、砂帶線速度、進(jìn)給速度。表面粗糙度的最優(yōu)水平組合為A  3 B 2 C 1 D 1   。隨著砂帶線速度的增加，磨削溫度升高，砂帶磨損導(dǎo)致表面質(zhì)量下降，表面粗糙度增大。隨著砂帶線速度的繼續(xù)提高，單顆磨粒與工件的接觸時(shí)間縮短，單顆磨粒切削深度變小，由于磨粒耕犁而產(chǎn)生的熱塑性變形抑制了工件表面的隆起高度。因此，隨著帶線速度的增加工件表面粗糙度呈先增加后降低的趨勢(shì)。

圖 5 TiAl 基合金表面粗糙度正交試驗(yàn)極差分析

　　在一定范圍內(nèi)，參與磨削的磨粒數(shù)隨磨削壓力的增加而增加，磨粒數(shù)的增加使得工件磨削量變得均勻，因此表面粗糙度值減小。但過(guò)高的磨削壓力會(huì)加速磨粒的磨損，直接導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。因此表面粗糙度之隨著磨削壓力的增加呈先減小后增加。由圖  5   可知，工件加工表面的粗糙度與工件進(jìn)給速度和砂帶粒度成正比，后者對(duì)粗糙度的影響更大。隨著砂帶粒度不斷增加，磨削產(chǎn)生的劃痕和隆起會(huì)變大，表面粗糙度值變大。

　　2.3表面形貌

　　隨著磨削加工工藝參數(shù)的變化，工件表面形貌也會(huì)隨之發(fā)生變化，磨削參數(shù)和磨削環(huán)境的變化都會(huì)對(duì)工件表面形貌的形成造成一定的影響。圖6為T(mén)iAl基合金平板在最優(yōu)工藝參數(shù)條件(VS=12  m/s，F(xiàn)N= 6N，VW=0.2m/min，P=50μm)下磨削加工前后的表面形貌圖。

圖 6 TiAl基合金試件磨削前后表面微觀形貌

　　從圖6a可看出，TiAl基合金平板磨削后的表面光滑、表面質(zhì)量改善，幾乎無(wú)缺陷，從圖6b微觀形貌可以看出磨削后磨痕均勻、形貌規(guī)則。TiAl基合金已加工表面平均粗糙度值為0.2μm，與原始表面相比降低了近4倍。TiAl基合金平板的側(cè)面形貌如圖6c所示，可以明顯看出，經(jīng)過(guò)砂帶磨削后表面質(zhì)量明顯提升，表面金屬光澤清晰，從圖中可以看到較為清晰的層狀結(jié)構(gòu)。從圖6d可以看出，與磨削前輪廓的微觀形貌相比較，磨削后微觀形貌得到了顯著改善，從拋光后的表面可以明顯看出該材料的加強(qiáng)基(碳纖維)。

　　雖然表面形貌只能反映表面幾何形狀和表面特征，但它對(duì)航空航天部件的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命有重要的影響。

　　3、結(jié)論

　　1)提出采用柔性砂帶磨削工藝對(duì)TiAl基合金進(jìn)行加工，克服加工性能差的特點(diǎn)。通過(guò)材料去除率、表面粗糙度以及表面形貌對(duì)其砂帶磨削可行性進(jìn)行了分析。

　　2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂帶線速度、磨削壓力、進(jìn)給速度和砂帶粒度對(duì)TiAl基合金材料去除率與表面粗糙度的影響程度并不相同。

　　3)本研究為T(mén)iAl基合金的精密加工提供了新的思路，為其用于制造航空航天高性能零部件有一定指導(dǎo)意義。

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