颗粒增强钛基复材缓进深切磨削加工研究.pdf

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1、颗粒增强钛基复材缓进深切磨削加工研究米李征，丁文锋，徐九华，申龙(南京航空航天大学机电学院，南京210016)[摘要】颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)属于典型的难加工材料，在航空航天领域具有广阔应用前景。本文开展了PTMCs材料的缓进深切磨削研究，揭示了磨削用量和磨削方式(顺磨与逆磨)对磨削力与磨削温度的影响规律，同时利用有限元法分析了磨削温度场特征和材料去除机理。研究发现，缓进深切磨削PTMCs时，磨削力随工件进给速度和切深增加而增加，顺磨时的磨削力比逆磨大10％～20％，而顺磨的磨削温度要比逆磨约低10％。由于逆磨和顺磨工件的温度分布不同，当切深大于0．6mm、

2、工件进给速度大于400mm／min时，顺磨比逆磨更易发生烧伤。在此基础上，提出了顺磨与逆磨条件下磨削温度场仿真计算的不同热源模型与边界条件，分别获得了两种磨削方式的温度分布特征，有限元仿真结果与试验结果相符。颗粒增强钛基复材磨削表面典型加工缺陷是表面涂覆和硬脆增强相破碎和拔出导致的孔洞，单颗磨粒切厚对硬脆增强相的去除行为有显著的影响。关键词i缓进深切磨削；颗粒增强钛基复合材料；磨削力；磨削温度；表面缺陷DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．1／2．048李征博士研究生。主要从事难加工材料高效磨削技术及应用研究。+基金项目：江苏省普通高校学

3、术学位研究生创新计划项目(No．KYLXl6_0317)。48航空制造技术·2017年第1／2期颗粒增强钛基复合材料(简称PTMCs)是以钛合金(Ti一6AI一4V)为基体、以TiC颗粒等为增强相的金属基复合材料。在极大地改善钛合金基体材料的比强度、比模量的同时，也综合了基体金属材料的延展性与韧性，使之具有更好的高温性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能。现阶段，PTMCs在航空航天等高端装备领域显示出了广阔的应用前景。PTMCs优异的力学性能和较低的导热率，属于典型的难加工材料，不仅切削加工效率低，而且易形成表面缺陷[1-210缓进深切磨削是在普通磨削速度条件下，通过工件缓慢

4、进给，大幅度提高切深(如0．1～30mm)以增大材料去除率，从而实现材料高效去除的磨削加工方法，可实现以磨代切，在钛合金、镍基合金机械加工中应用广泛。例如，Hood等【31使用SiC砂轮缓进给磨削钛铝合金Ti一45A1—8Nb一0．2C和阻燃钛合金Ti一25V一15Cr一2A1—0．2C，结果发现缓进深切磨削可有效提高材料去除率，实现工件无烧伤磨削。因此，开展钛基复合材料的缓进深切磨削技术研究具有重要意义。本文采用微晶刚玉砂轮开展了PTMCs材料的缓进深切磨削试验，研究了磨削用量和磨削方式(顺磨和逆磨)对磨削力与磨削温度的影响规律，并利用有限元法研究了磨削温度的分布，

5、提出了两种不同磨削方式下的热源模型与边界条件，同时分析了磨削表面主要缺陷及影响因素。研究结果可为实现颗粒增强钛基复合材料的高效精密磨削加工提供基础数据和理论支持。№帅。k。№咖，衙。№悱bc洲搠。l难加工材料加工技术磨削试验条件及方法磨削试验在BLOHMPROFIMATMT一408高速精密平面磨床上进行。磨削方式分别为顺磨和逆磨。选用微晶刚玉砂轮，如图1所示，砂轮外径350ram，工作面宽度30mm，磨料粒度60#，硬度等级J级，陶瓷结合剂，砂轮最高使用线速度为45m／s。砂轮修整工具为金刚石笔，修整用量见表1。试验条件见表2，采用水基冷却液。试验所用PTMCs材料是

6、以钛合金(Ti一6Al-4V)为基体，以TiC颗粒为主要增强相的钛复合材料，增强颗粒尺寸为2—10“m，如图2所示。磨削力和温度的测试系统如图3所示。测力系统由瑞士KISTLER9272型四向压电晶体测力传感器、图1微晶刚玉砂轮Fig．1Microcrystallinecorundumwheels图2颗粒增强钛基复合材料Fig．2MicrostructureofPTMCs(a)逆磨(h)顺磨图3磨削力与温度测量系统Fig．3Schematicsofthegrindingexperimentalset-up康铜丝＼7云母片图4半人工热电偶测温夹块Fig．4Semi-ar

7、tificialthermocoupletemperaturemeasuringdeviceKISTLER5070多通道电荷放大器以及相应的数据采集与处理系统组成，可同时采集竖直和水平两个方向的磨削力。采用分块夹丝的半人工热电偶测量磨削温度，用数据采集软件实时记录夹丝热电偶输出的热电势信号。图4为半人工热电偶测温夹块。实际试验中，砂轮切人工件时的冲击对康铜丝与工件之间的绝缘性带来巨大冲击，因此要求云母片剥取得非常薄(厚度不超0．02mm)，与工件紧密贴合；康铜丝也需经过碾压成片状，避免产生过大压力挤破云母片，并且采用704胶涂抹各处夹缝，防止冷却液进