1 引言（yán）

      隨著全球航天（tiān）、航空業的蓬勃發展，鈦合金材料憑（píng）借（jiè）其特有的突（tū）出性能，如比強（qiáng）度（dù）高、耐高溫、抗腐蝕性（xìng）能強、密度低等優點，得到了（le）廣泛的關注。各國針對鈦合金（jīn）材料因導熱性能低（dī）等導（dǎo）致難以加工的缺點進行大量的研究，也使得其應用領（lǐng）域擴展到化學工業，核工業、航天、船舶等各個方麵。

      通常，鈦合金材料作為主要結構材料多用（yòng）於外殼（ké）零件（jiàn），但在某（mǒu）些特殊情況下（xià），如航天電機等小型（xíng）驅動元件中，也要求（qiú）軸（zhóu）類零件采用（yòng）鈦合金材料。軸類零件（jiàn）因其特性，為保證尺寸、形位公差精度要求，則多采用磨削加（jiā）工。而鈦合金材料的導熱係數僅為鋼的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工過程中（zhōng），磨削加工區域散（sàn）熱慢，不利（lì）於熱平衡，極（jí）易在加工區域形成高（gāo）溫，從（cóng）而（ér）導致砂輪加（jiā）速（sù）磨損，加工零件尺寸超差，甚至造成零（líng）件表麵燒傷（shāng），致使加工零件報廢。因此對（duì）鈦合金軸類零件的磨削加工進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準有砂（shā）輪的耐用度（即砂輪使用壽（shòu）命）、磨（mó）削比（即磨削去除的材料體積與砂輪損耗體（tǐ）積之比（bǐ））。磨削鈦合金時砂輪的耐用度較低，原因是鈦合金具（jù）有較（jiào）高（gāo）的化學親和性和較低的（de）導熱係數，使得磨削加（jiā）工區域容易形成（chéng）高溫，砂輪不但受到正常的磨（mó）削損耗，還受到較嚴重的化學腐蝕，加速了砂輪的（de）磨損，減少了砂輪的使用壽命。鈦合金的磨削比較差，鈦合金（jīn）在磨削過程中砂輪磨損劇烈，容易變鈍失效。例如（rú）在同樣條件下磨削（xuē）鈦合（hé）金TC4 和45 鋼，前者的磨削（xuē）比隻有1.53，而後者的磨削比為71.5。

      此外，在磨（mó）削加工的表麵完整性（表麵及表層狀態）和磨削功率或磨削力等方麵，鈦合金的（de）表現也（yě）很一般。

      鑒於上述原因，鈦合金應盡量避免作為需要磨削加工的軸類零件的（de）使用材料，但是由於鈦合（hé）金材料的高強度（強度約為（wéi）鐵（tiě）的2 倍（bèi）、鋁的6 倍），密度小（位於鋁合金和鋼之間），鈦合（hé）金的工作溫（wēn）度範圍廣，在-253℃～500℃均可正常使用，鈦合金的（de）抗腐蝕（shí）性優良，特別是在海水和（hé）海洋火氣中（zhōng）抗腐蝕性極高。以上這些優越的特（tè）性就決定了鈦合（hé）金作為結構材料能在對體積、重量、強度、抗腐蝕性能（néng）要求都較高的航天、航（háng）空飛（fēi）行器上（shàng）大量應（yīng）用，所以有時航天器上的微型電動機轉軸也使用（yòng）鈦合金材料。

      3 鈦合金磨削加工的參數選擇

      根據鈦合金的特性以及磨（mó）削（xuē）性能，可以預見加工（gōng）鈦合金軸類零件最大的困難是在（zài）磨削過（guò）程中，加工區域因砂輪與零件相互摩擦切削產生大（dà）量熱量，又因為鈦合金導熱性差（chà）等原（yuán）因，使得這些熱量無法快速有效地散發出去，致使（shǐ）磨削加工區域產生高溫，出現粘屑造成砂輪堵塞以及零件表麵燒傷。鈦合金零件表麵的正常加工（gōng）顏色為銀灰色，燒傷後為藍色。

      為避免上（shàng）述現象的發生，首先應采用小餘量磨削（xuē）加工的方法。在磨削工序前，應（yīng）安（ān）排（pái）必要的粗車、熱處理和精車等加工工序，在需要磨削的轉軸外圓處，精車時留有少量的磨削餘量。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（wéi）粗磨加工和精磨加工，其具體（tǐ）加工參數見表1。

      此（cǐ）外需注意，無論（lùn）在磨削加工還是在之前的粗、精車加（jiā）工工序中，一般轉軸類零件都選擇（zé）轉軸兩端的中心孔作為加工定位基準（zhǔn），盡管轉軸中心孔與機床頂針相對運（yùn）動較（jiào）少，但由（yóu）於該（gāi）處空間較小（xiǎo），且磨削液（yè）基本無法達到，致使轉軸中心孔在加（jiā）工時由於摩擦產生的高溫而形變，導致定位基準失效，零件加工尺寸超差，甚至導致零件報廢。解決該（gāi）問（wèn）題的方法是（shì），可使用鋼材料加工兩個接頭，通過螺紋或膠（jiāo）黏結的方法固定在轉軸兩端，在粗車工序時一同加工，這樣中（zhōng）心孔可以加工（gōng）在鋼（gāng）接頭上，既避（bì）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、部件全部加工完畢後，再采用鋁製軟三（sān）爪裝夾轉軸外圓的定位方式（shì），將兩端接頭去除。

      此外，根據（jù）具體的加工情況，除采用小餘量磨削加（jiā）工的方法外，鈦合金磨（mó）削還可（kě）以采用（yòng）低應力磨削或緩進磨削等加工方法來（lái）提高磨削（xuē）質量或生（shēng）產率。

      4 砂輪的選擇由於鈦合金具有化學親（qīn）和力強、摩擦係（xì）數大、導熱係（xì）數（shù）低等特點，在磨（mó）削（xuē）加工（gōng）中（zhōng），不同於結（jié）構鋼的（de）地方是：除粘結、擴散外，鈦合金同磨料還起化學作用，從而改變（biàn）了砂輪的磨損性質。磨削鈦合金時，鈦合金磨（mó）屑（xiè）很快便粘結在磨粒頂端，並與之發生（shēng）化學反應，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。強度和韌性都高，耐磨性也不錯，磨削鈦合金時，砂輪不能阻塞。

      （2）綠碳化矽（guī）。具有較（jiào）好的導熱性與半導體特性。與（yǔ）鈦合金粘附較輕，砂輪不易阻塞。碳化矽易破碎形成新刀口，刀口鋒利，降低了砂（shā）輪的磨損（sǔn）率。

      （3）鈰碳化矽。其外觀和綠碳（tàn）化（huà）矽相似,與綠碳（tàn）化矽磨料（liào）相比，其鈰碳化矽的顯微硬度（dù）、單顆粒抗壓強度、韌性（xìng）等均比綠碳化矽高。由於鈰碳化（huà）矽的物理性能有所改變，其磨削效果也得到了一定的改善。試驗證明（míng）磨（mó）鈦合金時，鈰（shì）碳（tàn）化矽與綠碳化矽相比，切削（xuē）效率提高近一倍，並且火花較（jiào）小。

      （4）混合磨料。綠碳化矽和微晶剛玉的混合磨（mó）料，其自銳性好，砂輪阻塞性低，磨削比雖（suī）稍低於綠碳化矽和鈰碳化矽砂（shā）輪，但磨削的表麵粗糙度最低，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（mó）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（yìng）度和優良的切削性能，同時對鈦合金的化學穩定性也很（hěn）好。所以用（yòng）這兩種磨料的砂輪磨削鈦合金時，由於（yú）化學（xué）作用而造成的砂輪（lún）磨損就顯得不那麽突出。因此（cǐ）人造金（jīn）剛石和立方氮（dàn）化硼砂輪磨削鈦合金的效果較好（hǎo），缺點是價格昂貴。

      砂輪的粒度是指磨粒尺（chǐ）寸的（de）大小，用（yòng）粒度號來表示。粒度號越大（dà），磨粒的尺寸越小。粗磨鈦合金時，以（yǐ）要求生產（chǎn）率高為主，可（kě）選用粗粒度（dù）的砂輪。精磨時（shí）則選用細粒度的砂輪（lún），便於降低工件表麵粗糙度。若使用過細粒度的砂輪時，易出現磨（mó）削溫度過高從而燒傷工件表（biǎo）麵的現象。

      5 鈦合金磨削用磨削液

      鈦合金磨削加（jiā）工時（shí），砂輪磨粒切削工件（jiàn）表麵（miàn）產生大量（liàng）的磨削熱量，這些（xiē）熱量必（bì）須（xū）使用磨削液將其帶走，以降低磨削區的溫度。對鈦合（hé）金來說，理想的磨（mó）削液除象磨削一般材料（liào）那樣要起冷卻、潤滑和衝洗作用外（wài），更重要的（de）是要能有效地抑製鈦合金與磨料的粘（zhān）附作用和化學作用，並且還要不發泡、消泡快。由於鈦合金磨削溫度高（gāo），鈦屑易燃，當使用油溶性（xìng）磨削液時可能發生火災（zāi）。所以（yǐ）建（jiàn）議使用合成水溶性（xìng）乳化液,也可（kě）自配磨削液。需（xū）要注意的是鈦合金（jīn）磨（mó）削最好不使（shǐ）用含氯（lǜ）的磨削液，既避免產生有毒物質和引起氫脆,也（yě）能防止鈦合金高溫應力腐蝕開（kāi）裂［3］。

      由（yóu）於鈦合金相對其他材料磨削時加工區域溫度高，使用磨削（xuē）液時要求噴嘴盡量靠（kào）近磨削區，磨削液流量（liàng）要大，對於每毫米砂輪寬（kuān）度的流量一般不小於0.5L/min。除（chú）此（cǐ）之外，磨（mó）削（xuē）液的水箱容量也要足夠大，以防止磨削液溫升（shēng）過高，並應裝有過濾裝置，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、轉子間隙僅為0.016mm，所以對轉子加工精度（dù）要求比較高，轉子各外圓（yuán）同心度不（bú）大於0.006mm，尺寸公差要求4 級精度，表麵粗糙度Ra0.8。

      實際加（jiā）工中，轉軸經過粗車（chē）、精車和必要的去氫熱處理等工序（xù）後壓裝（zhuāng）鐵芯，再在進口內外圓磨床（chuáng）上（shàng）進行整體磨削，采用小餘量磨削加工方法。轉（zhuǎn）軸車削加工僅留0.1mm 的磨削餘量，然後一次裝夾，進行（háng）粗磨、半精磨和精磨加工，粗磨進給量0.02mm，半精磨進給量0.01mm，精磨時進給量0.005mm。采用（yòng）46# 粒度的鈰（shì）碳化矽砂輪，水（shuǐ）溶性乳化液，磨削（xuē）液流量大於35L/min。同批次轉子加工後未出現尺寸超（chāo）差現象，合格率達到100%。

      7 結語

      鈦合金材料的磨削性能特點決定（dìng）了鈦合金軸類（lèi）零件在磨（mó）削加工中難度較大，隻有正確選（xuǎn）擇磨削參數，砂輪以及（jí）磨削液，配合（hé）合理的工序（xù）安排，才（cái）能延長砂輪使用壽命、提高零部件的加工精度和生產效率。