航發(fā)鈦合金葉片金剛石砂帶磨削的磨粒磨損研究

梁巧云， 單 坤， 李兆瑞， 鄒 萊， 黃 云

(1. 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司， 沈陽 110043) (2. 重慶大學， 機械傳動國家重點實驗室， 重慶 400044)

鈦合金的密度小、強度高，擁有良好的耐熱性和耐腐蝕性，是制造航空發(fā)動機葉片、整體葉盤的重要材料之一[1]。由于鈦合金具有導熱系數(shù)低、彈性模量小、化學親和性大等特點，是一種典型的難加工材料[2]。航空發(fā)動機葉片剛性差，葉片型變截面、彎扭特性復雜，其精密磨削難度極大。砂帶磨削適應性強、工藝靈活性好，現(xiàn)在已經逐漸成為航發(fā)鈦合金葉片精密磨削及拋光的有效加工手段[3-4]。但是在航發(fā)葉片磨削過程中的砂帶磨損使得葉片的磨削質量和產品一致性難以保證，嚴重影響航空發(fā)動機的服役性能。

金剛石砂帶是一種新型超硬材料涂附磨具，耐磨性好，廣泛應用于光學玻璃、特種陶瓷、復合材料等硬脆材料的精密磨拋加工，在航空航天領域具有廣闊的應用前景，已經開始應用于航發(fā)葉片的精密磨削中[5-6]。但目前關于航發(fā)鈦合金葉片磨削過程中的金剛石砂帶磨損的研究非常少，因此研究鈦合金金剛石砂帶磨削磨粒磨損具有十分重要的意義。

針對金剛石工具的磨損原因，部分學者指出：在黑色金屬、鈦合金和鎳基高溫合金的加工中，金剛石工具中的碳元素和工件材料中的鐵、鈦、鎳等元素在加工過程的高溫作用下，容易發(fā)生物理化學反應，從而導致金剛石工具的磨損[7-9]。LI 等[10]指出在加工過程中的高溫作用下，工件材料中游離的鈦原子在金剛石的石墨化磨損過程中起到金屬催化劑的作用。ZOU等[11]指出加工過程中金剛石產生的石墨化轉變、氧化反應等物理化學反應隨著溫度的升高更容易發(fā)生且更加劇烈，同時在鐵原子催化作用下，在較低的溫度(500 K)下即可發(fā)生氧化還原反應。

這些研究為尋找金剛石工具的磨損原因提供了參考，但是不能直接解釋金剛石砂帶在磨削過程中的磨損。因此，進行鈦合金-單顆金剛石磨粒磨削過程仿真，開展鈦合金葉片金剛石砂帶磨削試驗，分析磨削速度對磨削過程溫度和金剛石砂帶磨損的影響，并對金剛石砂帶磨損的原因進行研究。

1 單顆磨粒磨削仿真

前文所述的學者的研究結果表明溫度是影響金剛石磨損的重要因素。因此，主要對磨削過程中的溫度進行仿真。

1.1 幾何建模與網格劃分

圖1為金剛石磨粒模型和網格。如圖1所示：為了便于仿真模擬，將磨粒模型簡化為球頭圓錐體，其頂錐角為2θ=73.74°，磨粒球頭半徑r=41.61 μm[12]。采用四面體網格C3D4T對磨粒進行網格劃分，對磨粒刃尖的網格密集化以提高計算精度。

圖1 金剛石磨粒模型和網格

圖2為鈦合金工件模型和網格。如圖2所示：Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金工件模型為長方體結構，采用六面體網格C3D8T對鈦合金工件進行網格劃分。對磨削區(qū)域的網格密集化，其最小網格尺寸為0.01 mm。對遠離切削區(qū)域的網格稀疏化以提高計算速度。

圖2 鈦合金工件模型和網格

1.2 定義模型材料屬性

在金剛石磨粒磨削鈦合金的過程中，切削速度高，同時在材料去除的過程中會產生較大的磨削力，因此接觸界面會產生高溫和較大形變。為了保證仿真可以最大限度地模擬實際的磨削加工過程，必須選擇合適的材料模型。Johnson-Cook(JC)材料本構模型可以反映在高應變速率下的材料變形行為，因此選用JC材料模型，其本構方程如式(1)：

(1)

應用JC損傷準則來模擬材料的破壞，損傷應變的表達式如式(2)：

(2)

金剛石與TC4的材料屬性如表1所示，由于金剛石的硬度遠大于鈦合金，所以在仿真中將金剛石設定為剛體。

表1 金剛石與鈦合金的材料屬性

1.3 邊界條件與參數(shù)設定

考慮到砂帶磨削中橡膠接觸輪和砂帶基材間的粘接劑為可變形材料，因此，磨粒在磨削過程中的運動并不是簡單的直線運動，而是一種變幅值變頻率的復雜運動。本次仿真中磨粒的運動被設定為：在一定的切入深度下，磨粒在X方向以設定的磨削速度進行磨削，同時在Y方向進行定幅值、定周期的正弦位移運動，運動的周期是綜合考慮工件的長度和磨削速度后確定的。通過這2個方向的復合運動，可在一定程度上模擬砂帶磨削中磨粒的運動。Y方向的位移表達式如下：

Y=0.02sin(62 800t)

(3)

邊界條件設定如下：首先，設置TC4工件底面為完全固定約束。其次，對磨粒參考點設定速度約束，使用幅值控制磨粒在X方向的磨削速度。同時，對磨粒參考點設定位移約束，使用幅值控制磨粒在Y方向的正弦周期位移。

在使用金剛石砂帶進行磨削時，磨削速度在10 m/s以上時能夠得到較好的加工質量。因此，本次仿真中磨削速度設定為10 m/s、15 m/s和20 m/s, 金剛石磨粒的磨削深度為60 μm。

1.4 仿真結果

圖3為10 m/s磨削速度下的某個磨削階段的瞬時溫度云圖。圖3中：磨削區(qū)域的溫度主要集中在金剛石磨粒上，磨削過程中的磨粒溫度最高區(qū)域為靠近磨削區(qū)域一側的球頭面。這是由于在材料去除的過程中，金剛石磨粒與鈦合金工件材料接觸擠壓，摩擦熱集中在這一區(qū)域。

圖3 溫度分布

圖4為不同磨削速度下磨粒與工件的摩擦接觸點平均溫度的變化。當磨削速度為10 m/s時，接觸點的平均溫度為702.1 K，同時隨著磨削速度的增大，摩擦接觸點的平均溫度升高；當摩擦速度達到20 m/s時，摩擦接觸點平均溫度達到921.7 K。這是因為隨著磨削速度的增大，單位時間內去除的材料量增加，因此磨粒做功增加，磨削過程有更多的熱量產生。摩擦接觸點溫度達到700 K以上，比較容易發(fā)生氧化還原等化學反應，造成金剛石磨粒的磨損。磨粒摩擦接觸點溫度越高，發(fā)生的物理化學反應就越劇烈，因此金剛石磨粒的磨損速率應該隨溫度的升高而增大。

圖4 磨削速度對溫度的影響

由于金剛石砂帶的磨削過程是多顆磨粒共同參與的材料去除過程，即使金剛石砂帶表面的磨粒高度的分布是不等高、不均勻的，磨削過程中各個磨粒摩擦接觸點的溫度也并不相同，但是磨粒溫度的分布和磨削速度對磨削溫度的影響規(guī)律是類似的。通過單顆磨粒的仿真溫度結果可以推論：在實際加工中，隨著磨削速度的增加，接觸區(qū)域的溫度應該呈升高的趨勢。因此，金剛石砂帶的磨損速率也應呈增大趨勢。

2 航發(fā)葉片磨削試驗

2.1 試驗材料及設備

試驗材料選用航空發(fā)動機鈦合金葉片，該葉片通過數(shù)控銑得到。圖5a為葉片局部表面形貌，葉片型面具有明顯的銑削紋路，個別部位銑削紋路較深，分布不均勻，且葉片型面和進排氣邊緣余量大。如圖5b所示，砂帶選用M10/20粒度電鍍金剛石砂帶。

(a) 葉片磨前局部表面形貌

試驗在圖6所示的七軸六聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床上進行。該磨床有7個軸，這些運動軸包括：與磨頭垂直并沿數(shù)控分度盤軸線方向的X軸，與磨頭垂直并與X軸垂直的Y軸，沿豎直上下方向的Z軸，工件回轉A軸，工作臺回轉B軸，磨頭繞Z軸旋轉的旋轉C軸，接觸輪壓力控制U軸。該機床通過各個軸的聯(lián)動實現(xiàn)航發(fā)葉片各部位的磨削。

圖6 數(shù)控砂帶磨床

2.2 試驗設計

磨削工藝參數(shù)對工件磨削質量和砂帶磨損有重要影響。針對磨削速度設計了鈦合金航發(fā)葉片金剛石砂帶磨削試驗，分析磨削速度對砂帶磨損的影響，進而驗證仿真的結果。試驗法向壓力設置為8 N，進給速度為600 mm/min，磨削速度分別設置為10 m/s、15 m/s和20 m/s，試驗條件為濕磨。采用超景深顯微鏡對試驗前后的金剛石砂帶進行三維測量，可以得出磨削前后砂帶表面磨粒的磨損高度。其結果如圖7所示。為了消除砂帶磨粒初始高度的不同帶來的影響，用砂帶磨削前后高度差ΔH和原始高度的比值百分數(shù)來表征砂帶的磨損程度。

(a) 磨削前

(b) 磨削后

3 試驗結果及分析

3.1 葉片加工質量

圖8為葉片的三坐標檢測結果。圖8a為磨削前葉片某型面的加工余量檢測結果，葉盆、葉背實際輪廓均在要求公差帶之外，型面余量較大。進排氣邊緣余量大，可達到0.187 mm。圖8b為經金剛石砂帶磨削后的檢測結果，葉片型面和進排氣邊的余量均處于±0.05 mm公差帶內，且進排氣邊被磨削為良好的圓弧過渡。

使用FTS Intra表面粗糙度輪廓儀對磨削后的鈦合金葉片進行粗糙度檢測。沿著垂直于磨削紋路的方向抽取10個截面進行3次測量取平均值。測量長度為3 mm，評定長度為0.8 mm。圖9所示為截面粗糙度測量結果。圖9中磨削后的表面粗糙度Ra均在0.4 μm以下。

3.2 金剛石砂帶磨損分析

圖10為磨削速度對砂帶磨損程度的影響規(guī)律。

(a) 磨削前

(b) 磨削后

圖9 截面粗糙度

從圖10可看出：砂帶磨損程度隨著磨削速度的增大而加劇。這是由于隨著磨削速度的增大，一方面金剛石磨粒摩擦接觸點的溫度升高，磨削區(qū)域發(fā)生的物理化學反應更劇烈，因而磨損加??；另一方面，單位時間內每個磨粒參加磨削的次數(shù)增加，從而加速磨粒磨損。這一結果與單顆磨粒磨削仿真中磨削速度對摩擦接觸點溫度的影響規(guī)律一致，表明溫度與金剛石砂帶的磨損具有明顯關聯(lián)，溫度是影響金剛石砂帶磨損的重要因素。

圖10 磨削速度對砂帶磨損的影響

圖11為磨削后砂帶在掃描電鏡下的表面形貌，圖11a、圖11b的放大倍數(shù)不同。從圖11a中可以看到：金剛石砂帶表面發(fā)生了磨粒耗損和磨粒脫落現(xiàn)象，同時砂帶表面發(fā)生了較為嚴重的磨屑堵塞和粘連。從圖11b中可以看到磨粒的耗損和白色粘連物。

圖12為白色粘連物的單點能譜分析，其元素組成如表2所示。圖12和表2中的主要元素為C元素和砂帶鎳基的Ni元素，同時存在少量黏附的Ti元素。這說明在磨削過程中，由于鈦合金化學親和性高的特性，Ti元素與C元素產生一定的化學反應，其產物粘連在砂帶上。隨著磨削過程的進行，過多的磨屑粘連會造成排屑困難，進一步提高磨削過程的溫度，從而加劇砂帶磨損。

(a) 粘連點

(b) 粘連物元素組成

表2 元素組成

4 結論

開展單顆金剛石磨粒磨削鈦合金過程仿真，進行航發(fā)鈦合金葉片磨削試驗，并使用掃描電鏡、超景深顯微鏡等對磨削后的葉片及砂帶進行檢測，分析磨削過程中金剛石砂帶的磨損。得出結論如下：

(1)金剛石砂帶在磨削速度為10 m/s時，摩擦接觸點的平均溫度可達到700 K以上，且溫度隨磨削速度的增大而升高。

(2)在航發(fā)鈦合金葉片的磨削中，砂帶磨損程度隨磨削速度增大而升高，與仿真中磨削速度對摩擦接觸點溫度的影響規(guī)律類似，表明溫度是影響金剛石砂帶磨損的重要因素。

(3)M10/20金剛石砂帶的磨損形式為磨粒損耗和磨粒脫落，同時磨削過程的磨屑粘連加劇了金剛石金砂帶的磨損。

(4)經M10/20金剛石砂帶磨削后的航發(fā)鈦合金葉片型面精度高，進排氣邊被磨削為良好的圓弧過渡并且處于±0.05 mm的公差帶內，型面粗糙度Ra在0.4 μm以下。