1 引言

      隨著全球航天、航空業（yè）的蓬勃發展，鈦合金材料憑借其特（tè）有（yǒu）的突（tū）出性能，如比強度高、耐高溫、抗腐蝕性能強、密度低等優點，得到了廣泛（fàn）的關注。各（gè）國（guó）針對（duì）鈦（tài）合金（jīn）材料因導熱（rè）性能低（dī）等導致難以加工的缺點（diǎn）進行大（dà）量的研究，也使得其應用領域擴展到化學工業（yè），核工業、航天、船（chuán）舶等各個方麵。

      通常，鈦合金材料作為主要結（jié）構材料多用（yòng）於外殼零件，但在某些特（tè）殊情況下，如航天電機等小（xiǎo）型驅動元件中，也要求軸類零件采用（yòng）鈦合金材料。軸類零（líng）件因其特性，為保證尺寸、形位公差精（jīng）度要求，則多（duō）采（cǎi）用磨削加工。而鈦合金材料（liào）的導熱係（xì）數僅為鋼的1/4,鋁合金的1/13,銅的1/25［1］，因此作為轉軸的使用材料在磨削加（jiā）工（gōng）過程中，磨削（xuē）加工區域散熱（rè）慢（màn），不利於熱平衡，極易（yì）在加工區域形成高溫，從而導致砂輪加速磨損，加工零件（jiàn）尺寸超差（chà），甚至造成零件表麵燒傷，致使加工零件報廢。因此對鈦合金軸類（lèi）零件的（de）磨削加工（gōng）進行研究分析成為必然（rán）。

      2 鈦合金（jīn）的磨削性能（néng）

      衡量磨（mó）削（xuē）性能的主要標準（zhǔn）有（yǒu）砂輪的耐用度（即砂輪（lún）使用壽命）、磨（mó）削比（即磨削去除（chú）的材料體積與砂輪損（sǔn）耗（hào）體積之比）。磨削鈦合（hé）金時砂輪的耐用度較低，原因是鈦合（hé）金具有較高的化學親和性（xìng）和較低的導（dǎo）熱係（xì）數，使得磨（mó）削加工區域容易形成高溫，砂輪不但受（shòu）到正（zhèng）常的（de）磨削損耗，還受到（dào）較嚴重（chóng）的化（huà）學腐蝕，加速了砂（shā）輪的磨損，減少了砂輪（lún）的使用壽命。鈦合金的磨（mó）削比較差，鈦合金在磨削過程中砂輪磨損（sǔn）劇烈，容易（yì）變鈍失效（xiào）。例如在同樣條件下磨削鈦合金TC4 和45 鋼，前者的磨（mó）削比隻有1.53，而後（hòu）者的磨削比（bǐ）為71.5。

      此外，在磨削加（jiā）工的表麵完整性（表麵及表層（céng）狀態）和磨削功率或磨削力等方（fāng）麵，鈦合金的表現也很一（yī）般。

      鑒於上述原因，鈦合金應盡（jìn）量避（bì）免作為（wéi）需要磨削加工的軸類零件的使（shǐ）用材料，但是由於鈦合金材料（liào）的（de）高強度（強度約為鐵的2 倍、鋁的6 倍），密（mì）度小（位於鋁合金和鋼之間），鈦合金的工作溫度範圍廣，在（zài）-253℃～500℃均（jun1）可正（zhèng）常使用，鈦合金的抗腐蝕性優良，特別是在海水和海洋火氣（qì）中抗（kàng）腐蝕性極高。以（yǐ）上這些優（yōu）越的特性就決定（dìng）了鈦合金作為結構材料能在對體積、重量、強度、抗腐蝕性能要（yào）求都較高的航天、航空飛（fēi）行器上大量應用，所以有時航天器上的微型電動機轉軸也使用鈦合金材料。

      3 鈦合金磨（mó）削加（jiā）工的參數選擇

      根據鈦（tài）合金的特性以及（jí）磨削性能，可以預見加工鈦合金軸類（lèi）零（líng）件（jiàn）最大的困難是在（zài）磨削過程中，加工區域因砂輪與零件相互摩擦切（qiē）削產生大量熱量（liàng），又因為鈦合（hé）金導熱性差等原因（yīn），使得（dé）這些熱量無法快速有效地散發出去，致使磨削加工區域產生高（gāo）溫（wēn），出現粘屑造（zào）成（chéng）砂輪堵塞以及零件表（biǎo）麵燒傷。鈦合金零件（jiàn）表麵的正常加工（gōng）顏色為銀灰色，燒傷後（hòu）為藍色。

      為避免上述（shù）現象的發生，首先應采用小餘量磨削加工的方（fāng）法。在磨削工（gōng）序前，應安排必要的粗車、熱處理和精車等加工（gōng）工序，在需要磨削的轉軸外圓處，精車時留有少量的（de）磨削餘量。一般情況下，鋼材料轉軸要求留有0.2～0.3mm磨削等量，鈦合金則要更小，約為0.1mm。且加工時，分為粗磨加工（gōng）和精磨加工，其具體加工參數見表1。

      此外需注意，無論在磨削加工還是（shì）在之（zhī）前的粗、精車加工工序中，一般轉軸類零件都選擇（zé）轉軸兩端的（de）中心孔作為加工定位基（jī）準，盡管轉軸中心孔與機床頂針相對運動較少，但由於該處空間較小，且磨削（xuē）液基本無法達到（dào），致使轉軸中心孔在加（jiā）工時由於摩擦（cā）產（chǎn）生的高溫而（ér）形（xíng）變，導致定位基（jī）準失效，零件加（jiā）工尺寸超差，甚至導致（zhì）零件報廢（fèi）。解（jiě）決該問題的方法是（shì），可使用鋼（gāng）材料加（jiā）工兩個接頭，通過螺紋（wén）或膠黏結的方法（fǎ）固定在轉軸兩端，在粗車工序時一同加工，這樣中心孔可以加工在鋼接頭上，既（jì）避免（miǎn）了中心孔（kǒng）高溫變形的問題，也保證了零件的加工精度，在零、部件全部加工完畢後，再采用鋁製軟三（sān）爪（zhǎo）裝夾轉軸外圓（yuán）的定位方式，將兩端接頭去除。

      此外，根據具體的加工情（qíng）況，除采用小餘量磨削加工的方法（fǎ）外，鈦合金磨削還可以采用低應（yīng）力磨削或緩進磨削等加工方法來提高磨削質量或（huò）生（shēng）產率。

      4 砂輪的選擇由於鈦合金具有（yǒu）化學親和力強、摩擦係數大、導熱係數低等特點（diǎn），在磨削加工（gōng）中，不同於結構鋼的地方是：除粘結、擴（kuò）散外，鈦（tài）合金同磨（mó）料還起化學（xué）作用，從而改變了砂輪的磨損性質。磨削鈦合金時，鈦合金磨屑很快便粘結在磨（mó）粒頂端，並與之發生化學（xué）反應，從而加速了（le）砂輪的磨損，所以砂輪的選擇尤（yóu）為重要（yào），常用（yòng）的磨削鈦合金的砂輪磨料有以下幾種：

      （1）鋯剛玉。強度（dù）和（hé）韌性都高，耐（nài）磨性也不錯，磨削鈦合金時，砂輪（lún）不能阻塞。

      （2）綠碳化矽。具有較好的導熱性與半導體特性。與鈦（tài）合金粘附較（jiào）輕，砂輪不易阻塞。碳化矽易破碎形成（chéng）新刀（dāo）口，刀口鋒利，降低了砂輪的磨損率。

      （3）鈰碳化矽。其外觀（guān）和綠（lǜ）碳（tàn）化矽相似（sì）,與綠（lǜ）碳化矽（guī）磨料相比，其鈰碳化矽的（de）顯微硬度、單顆粒抗壓強度、韌性等均比綠碳化矽高。由（yóu）於鈰碳化矽的（de）物理性能有（yǒu）所改變，其磨削效果也得到了一定的改善（shàn）。試驗證（zhèng）明磨鈦合（hé）金時，鈰碳化矽與綠碳化矽相比（bǐ），切削效率提高近一倍，並且火花較（jiào）小。

      （4）混合磨料。綠碳化矽和微（wēi）晶剛玉的混合磨料，其（qí）自銳（ruì）性好，砂輪阻塞性低，磨削（xuē）比雖（suī）稍低於綠碳化（huà）矽和鈰碳化（huà）矽砂輪（lún），但磨削的表麵（miàn）粗糙度最低，且在較大的金屬去除量範圍內，磨削的表麵粗糙度也十分穩定。

      （5）超硬磨料（liào）。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良的切削性能，同時對鈦合金的化學穩定性也很好。所以用這兩種（zhǒng）磨（mó）料的砂輪磨削鈦合金時，由於化學作用（yòng）而造成的砂輪磨損就（jiù）顯得不那麽突出。因此人（rén）造金剛石和立方氮化硼砂輪磨削鈦合金的效果較好，缺點是價（jià）格昂貴。

      砂輪的粒度是指磨粒尺寸的大小，用粒（lì）度號來表示。粒度號越大，磨粒的尺寸越小。粗（cū）磨鈦合金時，以要（yào）求生產率高（gāo）為主，可選（xuǎn）用粗粒度的砂輪。精磨時則選用細粒度的砂輪，便於降低工件表麵（miàn）粗糙度。若使用過（guò）細粒度（dù）的砂輪時，易出現磨削溫度過高從而燒傷工件表麵的現象。

      5 鈦合（hé）金磨削用磨削液

      鈦合金磨削加工時（shí），砂（shā）輪（lún）磨粒切削（xuē）工件表（biǎo）麵產生大量的（de）磨削熱量，這些熱量必（bì）須使（shǐ）用磨削液將其（qí）帶走，以降低磨削區的溫度。對鈦合（hé）金來說，理想的磨削液除象磨削一般材料那樣要起冷卻、潤滑和衝洗作（zuò）用外，更重（chóng）要的是要能有效地抑製鈦合金與磨料的粘（zhān）附作用和化學（xué）作用，並且（qiě）還要不發泡（pào）、消（xiāo）泡快（kuài）。由於鈦合金磨削溫度高，鈦屑易燃（rán），當使用油溶性磨削液時（shí）可能發生火（huǒ）災。所（suǒ）以建議使用合成（chéng）水溶性乳化液,也可自配磨削液。需要注意的是鈦合（hé）金磨（mó）削最（zuì）好不使用含氯的磨削（xuē）液，既避免產生有毒（dú）物質和引起氫脆,也（yě）能防止鈦合金高溫（wēn）應力腐蝕開（kāi）裂［3］。

      由（yóu）於鈦合金相對其他（tā）材料磨削時加（jiā）工區域溫（wēn）度高，使用磨削液時要求噴嘴盡量靠近磨削區，磨削（xuē）液流量要大，對於每毫（háo）米砂輪寬度的流量一般不小於0.5L/min。除此之外，磨削（xuē）液（yè）的水箱容量也要足夠大，以防止磨削液溫升過高，並應（yīng）裝有過濾（lǜ）裝置（zhì），保證磨削液的清潔。

      6 加（jiā）工實例

      某型號步進電機作為航天器太陽帆板展開驅動元件，其轉子結構為在鈦合金轉軸上壓裝矽鋼鐵芯。該步進電機定、轉子間（jiān）隙（xì）僅為0.016mm，所以對轉子加工精度要求比（bǐ）較高，轉子各外（wài）圓同心度不大於0.006mm，尺寸公（gōng）差要求4 級精度，表麵粗糙度Ra0.8。

      實際加工中，轉軸經過粗車、精車和必要的去氫熱處理等工序後壓裝鐵芯，再在進口內外圓磨床上進行整體磨削，采用（yòng）小餘量磨削加（jiā）工方（fāng）法。轉軸車削加工僅留0.1mm 的磨（mó）削餘量，然後一次裝夾，進行粗磨、半精磨（mó）和精磨（mó）加工，粗磨進給（gěi）量0.02mm，半精磨進給量0.01mm，精磨時進（jìn）給量0.005mm。采用46# 粒度的鈰碳化矽砂輪，水溶性（xìng）乳化液，磨（mó）削液流量大於35L/min。同批次轉子加工後未出現尺寸超差現象，合格率達（dá）到100%。

      7 結（jié）語

      鈦合金材料（liào）的磨削（xuē）性能特點決定了（le）鈦合金軸類零件在磨削加工中難度較大，隻有正確選擇磨削參數（shù），砂輪以及磨削液，配合（hé）合理的工序安排，才能延長砂輪使用壽命、提高零部件（jiàn）的（de）加工精度和（hé）生產效率。