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、強度高、高溫抗蠕變性能強、抗氧化性強等優(yōu)點，因此其在軍用高性能航空發(fā)動機、渦扇發(fā)動機、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)成為國內(nèi)外學(xué)者熱衷的研究對象。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，能夠進行磨削、研磨、拋光等加工，享有“冷態(tài)加工”的美譽。

　　重慶大學(xué)黃云等運用砂帶磨削方法已有效地解決了航空發(fā)動機整體葉盤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TiAl基合金平板磨削過程中存在的問題，開展了一系列性能試驗研究。通過材料去除率、表面粗糙度、磨粒磨損及表面形貌對TiAl基合金砂帶磨削可行性進行分析研究，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、實驗的條件和方法

　　1.1工件材料

　　本試驗所采用的工件材料為TiAl基合金，其具體組成成分為Ti-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，需要對其進行精密加工，以獲得較好的表面質(zhì)量。表1所示為TiAl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，分別對應(yīng)綠色砂帶、紅色砂帶、黃色砂帶。由于該砂帶為實心磨粒團堆積磨料砂帶，在磨削過程中具有自銳性，其磨削性能及壽命較好，材料磨削去除量均勻。

圖2 EW50 砂帶實物及微觀形貌圖

　　1.3實驗裝置和方法

　　如圖 3a所示為本試驗的磨削裝置，通過控制該機床第七軸( N 軸)   在垂直于工件表面方向進給運動，可以精確控制磨削壓力，對TiAl基合金進行精密磨削加工。圖   3b為實際磨削過程圖，由于TiAl基合金平板較薄，其在磨削過程中容易發(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，因此本試驗采用正交試驗方法對TiAl基合金試件進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及葉片的磨削工藝參數(shù)，確定正交試驗因素如表  2 所示。

表 2 鈦鋁合金正交試驗因素表

　　2、實驗結(jié)果與分析

　　本試驗主要對鈦鋁基合金砂帶磨削表面完整性進行研究，分別對材料去除率、表面粗糙度、磨粒磨損以及表面形貌進行了詳細的分析研究。表3為TiAl基合金試件的正交試驗結(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指標(biāo)進行評價分析。

表 3 砂帶磨削TiAl基合金的正交試驗結(jié)果

　　2.1材料去除率

　　材料去除率是評價TiAl基合金砂帶磨削加工的一個基本評價參數(shù)。圖4所示為TiAl基合金材料去除率正交試驗極差分析結(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，磨削壓力過大并不能提高材料的去除率;  相反，它會導(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極差分析

　　隨著砂帶線速度的增加單位時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。隨著進給速度的增加單位時間內(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給速度的繼續(xù)增大，工件表面對砂帶的沖擊頻率增大，從而導(dǎo)致砂帶磨粒實際磨削深度減小，因此材料去除率在砂帶線速度較大時增加緩慢。

　　隨著砂帶粒度的不斷增大，單位時間內(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極差分析結(jié)果。結(jié)果顯示，各因素對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。

圖 5 TiAl 基合金表面粗糙度正交試驗極差分析

　　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。但過高的磨削壓力會加速磨粒的磨損，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給速度和砂帶粒度成正比，后者對粗糙度的影響更大。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，工件表面形貌也會隨之發(fā)生變化，磨削參數(shù)和磨削環(huán)境的變化都會對工件表面形貌的形成造成一定的影響。圖6為TiAl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TiAl基合金進行加工，克服加工性能差的特點。通過材料去除率、表面粗糙度以及表面形貌對其砂帶磨削可行性進行了分析。

　　2)實驗結(jié)果表明，砂帶線速度、磨削壓力、進給速度和砂帶粒度對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TiAl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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