1 引言
隨著全球航天、航空業(yè)的蓬勃發(fā)展，鈦合金材料憑借其特有的突出性能，如比強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕性能強(qiáng)、密度低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注。各國針對鈦合金材料因?qū)嵝阅艿偷葘?dǎo)致難以加工的缺點(diǎn)進(jìn)行大量的研究，也使得其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到化學(xué)工業(yè)，核工業(yè)、航天、船舶等各個(gè)方面。
通常，鈦合金材料作為主要結(jié)構(gòu)材料多用于外殼零件，但在某些特殊情況下，如航天電機(jī)等小型驅(qū)動(dòng)元件中，也要求軸類零件采用鈦合金材料。軸類零件因其特性，為保證尺寸、形位公差精度要求，則多采用磨削加工。而鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼的1/4,鋁合金的1/13,銅的1/25［1］，因此作為轉(zhuǎn)軸的使用材料在磨削加工過程中，磨削加工區(qū)域散熱慢，不利于熱平衡，極易在加工區(qū)域形成高溫，從而導(dǎo)致砂輪加速磨損，加工零件尺寸超差，甚至造成零件表面燒傷，致使加工零件報(bào)廢。因此對鈦合金軸類零件的磨削加工進(jìn)行研究分析成為必然。
2 鈦合金的磨削性能
衡量磨削性能的主要標(biāo)準(zhǔn)有砂輪的耐用度（即砂輪使用壽命）、磨削比（即磨削去除的材料體積與砂輪損耗體積之比）。磨削鈦合金時(shí)砂輪的耐用度較低，原因是鈦合金具有較高的化學(xué)親和性和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，使得磨削加工區(qū)域容易形成高溫，砂輪不但受到正常的磨削損耗，還受到較嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕，加速了砂輪的磨損，減少了砂輪的使用壽命。鈦合金的磨削比較差，鈦合金在磨削過程中砂輪磨損劇烈，容易變鈍失效。例如在同樣條件下磨削鈦合金TC4 和45 鋼，前者的磨削比只有1.53，而后者的磨削比為71.5。
此外，在磨削加工的表面完整性（表面及表層狀態(tài)）和磨削功率或磨削力等方面，鈦合金的表現(xiàn)也很一般。
鑒于上述原因，鈦合金應(yīng)盡量避免作為需要磨削加工的軸類零件的使用材料，但是由于鈦合金材料的高強(qiáng)度（強(qiáng)度約為鐵的2 倍、鋁的6 倍），密度小（位于鋁合金和鋼之間），鈦合金的工作溫度范圍廣，在-253℃～500℃均可正常使用，鈦合金的抗腐蝕性優(yōu)良，特別是在海水和海洋火氣中抗腐蝕性極高。以上這些優(yōu)越的特性就決定了鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料能在對體積、重量、強(qiáng)度、抗腐蝕性能要求都較高的航天、航空飛行器上大量應(yīng)用，所以有時(shí)航天器上的微型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸也使用鈦合金材料。
3 鈦合金磨削加工的參數(shù)選擇
根據(jù)鈦合金的特性以及磨削性能，可以預(yù)見加工鈦合金軸類零件最大的困難是在磨削過程中，加工區(qū)域因砂輪與零件相互摩擦切削產(chǎn)生大量熱量，又因?yàn)殁伜辖饘?dǎo)熱性差等原因，使得這些熱量無法快速有效地散發(fā)出去，致使磨削加工區(qū)域產(chǎn)生高溫，出現(xiàn)粘屑造成砂輪堵塞以及零件表面燒傷。鈦合金零件表面的正常加工顏色為銀灰色，燒傷后為藍(lán)色。
為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，首先應(yīng)采用小余量磨削加工的方法。在磨削工序前，應(yīng)安排必要的粗車、熱處理和精車等加工工序，在需要磨削的轉(zhuǎn)軸外圓處，精車時(shí)留有少量的磨削余量。一般情況下，鋼材料轉(zhuǎn)軸要求留有0.2～0.3mm磨削等量，鈦合金則要更小，約為0.1mm。且加工時(shí)，分為粗磨加工和精磨加工，其具體加工參數(shù)見表1。
此外需注意，無論在磨削加工還是在之前的粗、精車加工工序中，一般轉(zhuǎn)軸類零件都選擇轉(zhuǎn)軸兩端的中心孔作為加工定位基準(zhǔn)，盡管轉(zhuǎn)軸中心孔與機(jī)床頂針相對運(yùn)動(dòng)較少，但由于該處空間較小，且磨削液基本無法達(dá)到，致使轉(zhuǎn)軸中心孔在加工時(shí)由于摩擦產(chǎn)生的高溫而形變，導(dǎo)致定位基準(zhǔn)失效，零件加工尺寸超差，甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢。解決該問題的方法是，可使用鋼材料加工兩個(gè)接頭，通過螺紋或膠黏結(jié)的方法固定在轉(zhuǎn)軸兩端，在粗車工序時(shí)一同加工，這樣中心孔可以加工在鋼接頭上，既避免了中心孔高溫變形的問題，也保證了零件的加工精度，在零、部件全部加工完畢后，再采用鋁制軟三爪裝夾轉(zhuǎn)軸外圓的定位方式，將兩端接頭去除。
此外，根據(jù)具體的加工情況，除采用小余量磨削加工的方法外，鈦合金磨削還可以采用低應(yīng)力磨削或緩進(jìn)磨削等加工方法來提高磨削質(zhì)量或生產(chǎn)率。
4 砂輪的選擇由于鈦合金具有化學(xué)親和力強(qiáng)、摩擦系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，在磨削加工中，不同于結(jié)構(gòu)鋼的地方是：除粘結(jié)、擴(kuò)散外，鈦合金同磨料還起化學(xué)作用，從而改變了砂輪的磨損性質(zhì)。磨削鈦合金時(shí)，鈦合金磨屑很快便粘結(jié)在磨粒頂端，并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加速了砂輪的磨損，所以砂輪的選擇尤為重要，常用的磨削鈦合金的砂輪磨料有以下幾種：
（1）鋯剛玉。強(qiáng)度和韌性都高，耐磨性也不錯(cuò)，磨削鈦合金時(shí)，砂輪不能阻塞。
（2）綠碳化硅。具有較好的導(dǎo)熱性與半導(dǎo)體特性。與鈦合金粘附較輕，砂輪不易阻塞。碳化硅易破碎形成新刀口，刀口鋒利，降低了砂輪的磨損率。
（3）鈰碳化硅。其外觀和綠碳化硅相似,與綠碳化硅磨料相比，其鈰碳化硅的顯微硬度、單顆粒抗壓強(qiáng)度、韌性等均比綠碳化硅高。由于鈰碳化硅的物理性能有所改變，其磨削效果也得到了一定的改善。試驗(yàn)證明磨鈦合金時(shí)，鈰碳化硅與綠碳化硅相比，切削效率提高近一倍，并且火花較小。
（4）混合磨料。綠碳化硅和微晶剛玉的混合磨料，其自銳性好，砂輪阻塞性低，磨削比雖稍低于綠碳化硅和鈰碳化硅砂輪，但磨削的表面粗糙度最低，且在較大的金屬去除量范圍內(nèi)，磨削的表面粗糙度也十分穩(wěn)定。
（5）超硬磨料。人造金剛石和立方氮化硼是兩種人造超硬磨料，它們具有極高的硬度和優(yōu)良的切削性能，同時(shí)對鈦合金的化學(xué)穩(wěn)定性也很好。所以用這兩種磨料的砂輪磨削鈦合金時(shí)，由于化學(xué)作用而造成的砂輪磨損就顯得不那么突出。因此人造金剛石和立方氮化硼砂輪磨削鈦合金的效果較好，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。
砂輪的粒度是指磨粒尺寸的大小，用粒度號來表示。粒度號越大，磨粒的尺寸越小。粗磨鈦合金時(shí)，以要求生產(chǎn)率高為主，可選用粗粒度的砂輪。精磨時(shí)則選用細(xì)粒度的砂輪，便于降低工件表面粗糙度。若使用過細(xì)粒度的砂輪時(shí)，易出現(xiàn)磨削溫度過高從而燒傷工件表面的現(xiàn)象。
5 鈦合金磨削用磨削液
鈦合金磨削加工時(shí)，砂輪磨粒切削工件表面產(chǎn)生大量的磨削熱量，這些熱量必須使用磨削液將其帶走，以降低磨削區(qū)的溫度。對鈦合金來說，理想的磨削液除象磨削一般材料那樣要起冷卻、潤滑和沖洗作用外，更重要的是要能有效地抑制鈦合金與磨料的粘附作用和化學(xué)作用，并且還要不發(fā)泡、消泡快。由于鈦合金磨削溫度高，鈦屑易燃，當(dāng)使用油溶性磨削液時(shí)可能發(fā)生火災(zāi)。所以建議使用合成水溶性乳化液,也可自配磨削液。需要注意的是鈦合金磨削最好不使用含氯的磨削液，既避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆,也能防止鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂［3］。
由于鈦合金相對其他材料磨削時(shí)加工區(qū)域溫度高，使用磨削液時(shí)要求噴嘴盡量靠近磨削區(qū)，磨削液流量要大，對于每毫米砂輪寬度的流量一般不小于0.5L/min。除此之外，磨削液的水箱容量也要足夠大，以防止磨削液溫升過高，并應(yīng)裝有過濾裝置，保證磨削液的清潔。
6 加工實(shí)例
某型號步進(jìn)電機(jī)作為航天器太陽帆板展開驅(qū)動(dòng)元件，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為在鈦合金轉(zhuǎn)軸上壓裝硅鋼鐵芯。該步進(jìn)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙僅為0.016mm，所以對轉(zhuǎn)子加工精度要求比較高，轉(zhuǎn)子各外圓同心度不大于0.006mm，尺寸公差要求4 級精度，表面粗糙度Ra0.8。
實(shí)際加工中，轉(zhuǎn)軸經(jīng)過粗車、精車和必要的去氫熱處理等工序后壓裝鐵芯，再在進(jìn)口內(nèi)外圓磨床上進(jìn)行整體磨削，采用小余量磨削加工方法。轉(zhuǎn)軸車削加工僅留0.1mm 的磨削余量，然后一次裝夾，進(jìn)行粗磨、半精磨和精磨加工，粗磨進(jìn)給量0.02mm，半精磨進(jìn)給量0.01mm，精磨時(shí)進(jìn)給量0.005mm。采用46# 粒度的鈰碳化硅砂輪，水溶性乳化液，磨削液流量大于35L/min。同批次轉(zhuǎn)子加工后未出現(xiàn)尺寸超差現(xiàn)象，合格率達(dá)到100%。
7 結(jié)語
鈦合金材料的磨削性能特點(diǎn)決定了鈦合金軸類零件在磨削加工中難度較大，只有正確選擇磨削參數(shù)，砂輪以及磨削液，配合合理的工序安排，才能延長砂輪使用壽命、提高零部件的加工精度和生產(chǎn)效率。
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