鈦合金是以Ti為主要成分的合金，并含鋁、釩、鐵和錳等元素以提高其性能。根據(jù)相組成不同，鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金和α–β鈦合金。其中α–β鈦合金(如Ti–6Al–4V)綜合性能良好，應(yīng)用最為廣泛。

鈦合金被認(rèn)為是“輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱”材料的典型代表。它的強(qiáng)度高于鋼，密度卻僅約為其60%，并可長(zhǎng)期服役于300~350℃的溫度環(huán)境，加之不同型號(hào)鈦合金展現(xiàn)出的在成形和焊接等方面的工藝特點(diǎn)，使鈦合金廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。最具代表性的是航空航天領(lǐng)域。在汽車行業(yè)，采用鈦合金制成的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門/連桿和排氣系統(tǒng)等零部件對(duì)車身減重、發(fā)動(dòng)機(jī)降噪具有重要意義。得益于突出的生物相容性，鈦合金也成為人體植入物和骨骼修復(fù)的首選金屬材料。

然而，由于強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低和化學(xué)活性高等特點(diǎn)，鈦合金的機(jī)械加工難度較大，面臨加工效率低、工具磨損快、加工質(zhì)量差等問題。

一、鈦合金切削/磨削加工存在的主要問題

01切/磨削溫度高

鈦合金的強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好，因此在切/磨削過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。然而，鈦合金的熱導(dǎo)率(低于7W/(m·K))遠(yuǎn)低于鋼和鋁合金的；在切/磨削過程中，除部分熱量可通過切/磨屑、切削液和刀具/磨具傳導(dǎo)外，其余熱量中僅少數(shù)可及時(shí)傳導(dǎo)至工件內(nèi)部，導(dǎo)致大量切/磨削熱聚積在接觸區(qū)。這一方面加快了工具磨損速度，另一方面使工件表面熱影響層變厚，降低零件的力學(xué)性能。有時(shí)不得不降低加工效率以減弱聚積熱量的不利影響。

02工件材料彈性變形大

鈦合金的彈性模量較低，因此在其切/磨削過程中彈性變形較大，制約了加工精度特別是薄壁件加工精度。此外，工件材料的彈性變形和恢復(fù)是切削振動(dòng)的重要誘因。工件材料彈性變形大，則工件材料和刀具/磨粒的接觸面積增大，導(dǎo)致刀具/磨粒的后刀面磨損嚴(yán)重。

03工具黏附現(xiàn)象嚴(yán)重

鈦合金的塑性良好，切削刃和工件材料在接觸壓強(qiáng)的作用下易產(chǎn)生“冷焊”現(xiàn)象，造成工件材料黏附。另外，鈦合金的化學(xué)活性高，鈦元素在切/磨削溫度的作用下易與工具材料中的碳、氮等元素以及空氣中的氧元素等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加劇工具與工件材料之間的黏附傾向。黏附的工件材料在剝離時(shí)會(huì)導(dǎo)致少量刀具/磨粒材料一同脫落。嚴(yán)重的黏附現(xiàn)象是導(dǎo)致切/磨削加工鈦合金時(shí)工具磨損快的主要原因之一。

二、鈦合金磨削加工技術(shù)

01鈦合金的磨削加工性

磨削溫度高、磨削力大是鈦合金磨削加工的顯著特點(diǎn)。在普通磨削條件下，Ti–6Al–4V對(duì)應(yīng)的磨削力約為45鋼的1.5~2倍，磨削溫度高約20%~30%，即使采用導(dǎo)熱性好的CBN磨料，磨削溫度亦高達(dá)400℃。若采用緩進(jìn)深切工藝磨削鈦合金，切削液難以充分冷卻整個(gè)磨削弧區(qū)，應(yīng)格外注意磨削溫度控制。不同于切削，磨削依靠眾多磨刃的微切削作用去除材料，并且為負(fù)前角切削，因此工件材料在磨粒的擠壓和切削等作用下變形較為劇烈，導(dǎo)致磨削表面往往存在較為嚴(yán)重的魚鱗狀涂覆等現(xiàn)象。提高磨削速度可通過降低單顆磨粒切厚顯著改善這一問題。在普通磨削條件下，由于磨削溫度較高，磨削后工件表層多為殘余拉應(yīng)力。例如，采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工Ti–6Al–4V時(shí)，磨削表面的殘余拉應(yīng)力高達(dá)500MPa以上。若采用緩進(jìn)深切磨削工藝，正常磨削時(shí)弧區(qū)溫度僅約為100℃。此時(shí)磨削力在殘余應(yīng)力的形成過程中起主導(dǎo)作用，因此表面多為殘余壓應(yīng)力。

02鈦合金磨削砂輪選擇

在普通磨料中，SiC磨料與鈦合金間的親和性較低，因此其磨削效果優(yōu)于剛玉磨料的。

在現(xiàn)有磨具技術(shù)水平下，普通砂輪磨削鈦合金時(shí)砂輪磨損速度較快。例如，采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工鈦合金的磨削比僅約為1。選用超硬砂輪時(shí)則提升幾十甚至上百倍。此外，相對(duì)于普通磨料，超硬磨料的導(dǎo)熱能力顯著增強(qiáng)，因此可以獲得較高的材料去除率。另一方面，采用超硬砂輪磨削鈦合金時(shí)可以避免頻繁地修整砂輪，進(jìn)一步提高磨削加工效率。

金剛石 / 立方氮化硼 > 碳化硅

陶瓷結(jié)合劑顆粒能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性好，防水，耐熱，耐腐蝕，磨損小，長(zhǎng)時(shí)間保持磨削性能，具有多孔性，不易堵塞，生產(chǎn)率高。脆性大，不能經(jīng)受較大沖擊負(fù)荷。

磨削鈦合金通常采用 36#-80# 粒度。

磨削鈦合金通常應(yīng)選擇較軟硬度或者中等硬度，組織較松的大氣孔砂輪。

文章來源：超硬材料與磨料磨具