1 引言

      隨著全球航天、航（háng）空（kōng）業的蓬勃發展，鈦合金材料（liào）憑借其（qí）特有的突出性能，如比強度高、耐高溫、抗腐蝕（shí）性能強、密（mì）度低等優點，得到了廣泛的關注（zhù）。各國針對鈦合金材料因導熱性能低等導致難以加工的缺點（diǎn）進（jìn）行大量的研究（jiū），也使得其應用領域擴展到（dào）化學（xué）工業，核工業（yè）、航（háng）天、船舶（bó）等各個方麵。

      通常，鈦合（hé）金材料作為主要結構材料（liào）多用（yòng）於外殼（ké）零件，但在某些特殊情況下，如航天電機等小型驅動元件中，也要求軸類零件采用（yòng）鈦合金（jīn）材料。軸類零件因其特性，為（wéi）保（bǎo）證尺寸（cùn）、形位公（gōng）差精度要求，則多采用磨（mó）削（xuē）加工。而鈦合金材（cái）料（liào）的導熱係數僅（jǐn）為（wéi）鋼的1/4,鋁合金的1/13,銅（tóng）的1/25［1］，因（yīn）此作為轉軸的使用材料在磨削加工過程中（zhōng），磨削加（jiā）工區域散熱慢，不利於熱平衡，極易在加工區域形成高溫，從而導致砂輪加速磨（mó）損，加工零件尺寸超差，甚至造成零件表麵燒傷，致使加工（gōng）零件報廢。因此（cǐ）對鈦合金軸類零件的磨削加（jiā）工進（jìn）行研究分析成為必然。

      2 鈦合金的磨削性能

      衡量磨削（xuē）性能的（de）主要標準有砂輪的耐用度（即砂輪使用壽命）、磨削（xuē）比（即磨削去除的材料體積與（yǔ）砂輪（lún）損耗體積之比）。磨削鈦（tài）合金時砂輪的耐用度較低，原因是鈦合金具有較（jiào）高的化學親（qīn）和性和較低的導熱（rè）係數，使得磨削加工（gōng）區域容易形成高溫，砂輪不但受（shòu）到正常的磨削損（sǔn）耗，還受到較嚴重的化學腐蝕，加速了砂輪的磨損，減少（shǎo）了砂輪的使用壽命。鈦合金的磨（mó）削比較差（chà），鈦合金在磨削過程中砂輪磨損劇烈，容（róng）易變鈍失效。例如在同樣條件下磨削鈦合金TC4 和45 鋼，前者（zhě）的磨削比隻有1.53，而後者的磨（mó）削比為71.5。

      此外，在磨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（děng）方麵，鈦合金的表現也很一般。

      鑒於上述原因，鈦合金應盡量（liàng）避免作為需要磨削（xuē）加工的軸類（lèi）零件的（de）使用材料，但是由於鈦合金材料的（de）高強度（強度約（yuē）為鐵（tiě）的2 倍、鋁的6 倍），密度小（位於鋁合金和鋼之間），鈦合金的工作溫度範圍廣（guǎng），在-253℃～500℃均可正常（cháng）使用（yòng），鈦合（hé）金的抗（kàng）腐蝕性優良，特別是在海水和海洋火氣中抗腐蝕性（xìng）極高。以上這些優越的特性（xìng）就決定了鈦合金作為（wéi）結構材料能在對體積、重量、強度（dù）、抗腐蝕性能要求都（dōu）較高的航天、航空飛行器上大量應用，所以有時航天器上的微型電動機轉軸也使用鈦（tài）合（hé）金材料。

      3 鈦合金磨削（xuē）加工的參數選擇

      根據（jù）鈦合金（jīn）的特性以及（jí）磨削性能，可以（yǐ）預見加工（gōng）鈦合（hé）金軸類零件最大的困難是在磨削（xuē）過程中，加工區域因砂輪與零件相互摩擦切削產（chǎn）生大量熱量，又因為鈦合金導熱性差等原因，使得這些熱量（liàng）無法快（kuài）速（sù）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（shāng）。鈦合金零（líng）件表麵的正常加工顏色為（wéi）銀灰色，燒傷後為藍色。

      為避免（miǎn）上述現象的發生，首先應采用小（xiǎo）餘量磨（mó）削加（jiā）工（gōng）的方法。在磨削工序前，應安排必要的粗車、熱處理和精車等（děng）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（liàng）。一（yī）般情況下，鋼（gāng）材料轉軸要求留有0.2～0.3mm磨（mó）削等量，鈦合金則（zé）要更小，約為0.1mm。且加工時，分為粗磨加工和精磨加工，其具體加工參數見表1。

      此外需注意，無論在磨削加工還是在之前的粗（cū）、精車加工工序中，一般轉軸類零件都選（xuǎn）擇轉（zhuǎn）軸兩端的中心（xīn）孔作為加工定（dìng）位基準，盡（jìn）管轉軸中心孔與機（jī）床頂針相（xiàng）對運動較少，但由於該處空間較小，且磨削液基（jī）本無法達到，致使（shǐ）轉軸中心孔在加工（gōng）時由於摩擦產生的高溫而形變，導致定位基準（zhǔn）失效，零件（jiàn）加工尺寸超差，甚至導（dǎo）致零件報廢。解決該問題的方法是，可（kě）使用鋼材料加工（gōng）兩個接頭，通（tōng）過螺紋（wén）或膠黏結的方法固定在轉軸兩（liǎng）端，在（zài）粗車工序（xù）時（shí）一同加工，這樣中心孔可以加工在（zài）鋼接頭上，既避免了中心孔高溫變形（xíng）的問（wèn）題，也保證了（le）零件的加工精度，在（zài）零、部件全部加工完畢後，再采用鋁製軟三爪裝夾轉軸外圓（yuán）的定位方式，將兩端接頭去除。

      此外，根據具體的（de）加工（gōng）情況，除采用小餘量磨削加工的（de）方法外，鈦合金磨削還可（kě）以采用低應力磨削或緩進磨削等加工方法來提高磨削質量或生（shēng）產率（lǜ）。

      4 砂輪的選擇（zé）由於鈦合金具有化學親和力（lì）強、摩擦係數大、導熱係數（shù）低等（děng）特點，在磨削加工中，不同於結構鋼（gāng）的地方是：除粘結、擴散外，鈦合金同磨料還起化學（xué）作用，從而改變了砂輪的磨損性（xìng）質（zhì）。磨削鈦合金時，鈦合金磨屑很快便粘結在磨粒頂端，並與之（zhī）發生化學（xué）反應，從而加速了砂（shā）輪的磨損，所以砂（shā）輪的選擇（zé）尤為重要，常用的磨削鈦合金（jīn）的砂輪磨料有以下幾種：

      （1）鋯（gào）剛玉。強度和韌性都高，耐磨性也不錯（cuò），磨削（xuē）鈦（tài）合金時，砂輪不能阻塞。

      （2）綠碳化矽。具有較好（hǎo）的導熱性與半導體特性。與鈦合金粘附較輕（qīng），砂輪（lún）不易阻塞。碳化矽易破碎形成新刀口，刀口鋒利，降低了砂輪的磨損率。

      （3）鈰碳化（huà）矽。其外觀和（hé）綠碳化（huà）矽相似,與綠碳化矽磨（mó）料相比，其鈰碳化矽的顯微硬度、單顆粒抗壓強度、韌性等均（jun1）比綠碳化矽高。由於鈰碳化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（zhèng）明磨鈦合金（jīn）時，鈰碳化矽與綠（lǜ）碳化（huà）矽相比，切削效率提高近一倍，並且火花較小（xiǎo）。

      （4）混合磨料（liào）。綠碳化矽和微晶剛玉的混合磨料，其（qí）自銳性好（hǎo），砂輪阻塞性低，磨（mó）削比雖稍（shāo）低於綠碳化矽和鈰碳化矽砂輪，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（de）表麵粗糙度也十分穩定。

      （5）超硬磨料。人造金剛石和立方氮化硼是兩種人造超硬磨料（liào），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好。所以用這兩種磨料的砂輪磨削鈦合金時，由（yóu）於化學（xué）作用而造成的砂輪磨損（sǔn）就顯得不那麽突出。因此人造金剛石和立方氮化硼砂輪磨削鈦合金（jīn）的效果較好，缺點是價格昂貴（guì）。

      砂輪的粒度是指磨粒尺寸的大小，用粒度號（hào）來表示。粒度號越大，磨粒（lì）的尺寸越小。粗磨鈦合（hé）金時，以要求生產率高為主，可選用粗粒度（dù）的砂輪（lún）。精磨時則選用（yòng）細（xì）粒度的砂輪，便於降低工件表麵粗糙度。若使用過細粒度（dù）的砂（shā）輪時，易出現磨削溫度過（guò）高從而燒傷（shāng）工件表麵的現象。

      5 鈦合金磨削用磨削液

      鈦合金磨削加工時，砂輪磨（mó）粒切削工件表麵產生大量的磨（mó）削（xuē）熱（rè）量，這些熱量必須使用磨削液將（jiāng）其帶走，以降低磨削區的溫度。對鈦合金來說，理想的磨削液除象磨削一（yī）般材料那樣要起冷卻、潤滑和衝洗作用外，更重要的（de）是要能有效（xiào）地抑製鈦合金與磨料的粘附作用和化（huà）學作用，並且還要不發泡、消泡快。由於鈦合金磨削溫度高，鈦屑易燃，當使用油溶性（xìng）磨削液時（shí）可能發生火災。所以建議使用合成水溶性（xìng）乳化液,也可自（zì）配磨削液。需要注（zhù）意的是鈦合金磨削最（zuì）好（hǎo）不使用含氯的磨削液，既避免產生有毒物質和引起氫脆,也能防止鈦合金高溫應（yīng）力腐蝕開裂［3］。

      由於鈦合金相對其（qí）他材料磨削時加工區域溫度高，使用磨削液時要求噴嘴盡量靠近磨削區，磨削液流量要大，對於每毫米砂輪寬度的流量一般不小於（yú）0.5L/min。除（chú）此之外，磨削液的水箱容量也要足夠大，以防止磨削（xuē）液溫升過高，並應裝（zhuāng）有過濾裝置，保證磨削液的清潔（jié）。

      6 加工實（shí）例

      某型號步進（jìn）電機作為航天器太陽帆（fān）板展開驅動（dòng）元（yuán）件，其轉子結構為在鈦合金轉軸上壓裝矽鋼鐵芯。該步進（jìn）電機定、轉子間隙僅（jǐn）為0.016mm，所以對（duì）轉子加工（gōng）精度要求比較高，轉子各外圓同心（xīn）度不大於0.006mm，尺寸公差要求（qiú）4 級精度，表麵粗糙（cāo）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（děng）工序（xù）後壓裝（zhuāng）鐵芯，再在進口內外圓磨床上進行（háng）整體磨削，采用小餘量磨削加工方法。轉軸車削加（jiā）工僅留0.1mm 的磨削餘量，然後一次（cì）裝夾，進行粗磨、半精磨和（hé）精磨加工，粗（cū）磨進給量0.02mm，半精磨進給量（liàng）0.01mm，精（jīng）磨時進給量0.005mm。采用（yòng）46# 粒度的鈰碳化矽砂輪，水溶性（xìng）乳（rǔ）化液，磨削液流量大於35L/min。同（tóng）批次轉子加工後未出現尺寸超差現象，合格率達到100%。

      7 結語

      鈦合金材料的磨削性能特點決定了鈦合金軸類零（líng）件在（zài）磨削加工中（zhōng）難度較大，隻有正確選擇（zé）磨削參數，砂輪以及磨削（xuē）液，配合合理（lǐ）的工（gōng）序安排，才能延（yán）長砂輪使用壽命、提高零部件的加工精度和生產（chǎn）效率。