1.背景

　　鈦合金管材作為一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的綜合性能，其密度小，比強(qiáng)度高,疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，抗蝕性能優(yōu)異，焊接性能良好等，因此在航空、航天、汽車、造船、能源等行業(yè)具有日益廣泛的應(yīng)用前景。如圖1為飛機(jī)液壓管路用鈦合金管材，圖2為醫(yī)療器械用鈦合金管材。但由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，摩擦系數(shù)大，使磨削過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量又不能迅速傳出，容易引起磨削零件的燒傷。

　　砂帶磨削技術(shù)具有“冷態(tài)磨削”之稱，因其磨削溫度低、磨削力小、加工效率高等特點(diǎn)而成為一種有前景的鈦合金磨削拋光的加工方法。

　　針對(duì)鈦合金砂帶磨削中的磨削率及表面粗糙度等問(wèn)題，我們進(jìn)行了如單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)等一系列的性能試驗(yàn)研究，得到了很多十分有用的結(jié)論。本次試驗(yàn)的研究不但可以改善鈦合金的磨削表面質(zhì)量，而且有助于擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有理論指導(dǎo)意義。

　　2、試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

　　2.1試驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)是在重慶三磨海達(dá)磨床有限公司和重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心研發(fā)的小型無(wú)心外圓砂帶磨削機(jī)床上進(jìn)行的，如圖3、4所示，機(jī)床由砂帶磨頭、驅(qū)動(dòng)裝置、工裝與夾具、電氣控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。以砂帶作磨具，采用典型無(wú)心外圓磨削技術(shù)，工件在進(jìn)給輪、驅(qū)動(dòng)輪和托板、托輪等共同作用下，進(jìn)行管材外圓磨削，實(shí)現(xiàn)粗磨、精磨和拋光(如圖5所示)。該機(jī)床可以進(jìn)行各種等徑軸類、桿件、管件外面圓表面磨削拋光。如工程機(jī)械液壓桿、汽車及摩托車減震器桿、氣門桿、油田抽油光桿，以及有色金屬棒、管、塑料、橡膠管、紡機(jī)光桿和各種線材的加工。

　　結(jié)合上述機(jī)床的各種優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)控制砂帶粒度、砂帶線速度、進(jìn)給速度、接觸輪硬度等參數(shù)，在此機(jī)床上進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得出了影響砂帶磨削鈦合金磨削率及表面粗糙度的關(guān)鍵因素。

　　2.2試驗(yàn)條件

　　表1顯示了本次試驗(yàn)的工藝條件。由于與砂輪磨削相類似，砂帶磨削也是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，涉及多個(gè)影響因素，且錯(cuò)綜復(fù)雜。不同的條件，不同的磨削參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的磨削效果。因而分析各種條件和參數(shù)對(duì)砂帶磨削性能的影響，對(duì)于正確使用砂帶磨削這一技術(shù)是十分重要的。

　　在進(jìn)行具體磨削試驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)單因素試驗(yàn)，測(cè)試磨削過(guò)程中影響磨削率的主要因素，然后通過(guò)正交試驗(yàn)分析不同條件下砂帶磨削鈦合金管材的表面粗糙度的情況，并得出影響粗糙度的主要因素。

　　3、磨削率試驗(yàn)結(jié)果分析

　　通過(guò)對(duì)鈦合金材料砂帶磨削加工效率的理論分析和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：砂帶磨削的材料去除效率與其自身的結(jié)構(gòu)特性和表面形貌以及加工方式有密切關(guān)系。

　　(1)圖6顯示了在法向磨削壓力一定的條件下，砂帶線速度對(duì)鈦合金材料去除率的影響規(guī)律。從圖中可以看出：

　　①在一定范圍內(nèi)，材料去除率Zw隨砂帶線速度Vs增加而增加，但Vs增加到一定的限度，Zw隨即減小;②對(duì)應(yīng)較好的磨削效果存在最佳的線速度值，材料去除率達(dá)到最大值;因此，對(duì)不同的砂帶可以找到一個(gè)最佳的磨削速度范圍，然后選擇在此范圍內(nèi)將保證較高的材料去除率。

　　(2)隨著時(shí)間的變化，砂帶磨損對(duì)材料去除率的影響也是很明顯的。在磨削初期，砂帶刃形鋒利，參加切削的磨粒數(shù)目較多，雖然磨損率較大，但磨粒磨損問(wèn)題還不很大，因而這個(gè)階段砂帶切削能力，材料切除效率最大。隨著磨削過(guò)程的進(jìn)行，砂帶進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段，此時(shí)磨粒在經(jīng)過(guò)初期的頂尖破碎、折斷或部分脫落以后，鋒利性降低，切削能力相對(duì)減弱，材料去除效率也減小，但減少不多，曲線比較平緩，如圖7所示。

　　(3)法向磨削力也是影響材料去除率極為重要的因素之一：

　　由圖8可看出，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行變壓力磨削時(shí)，材料切除率與法向壓力間無(wú)明顯規(guī)律可循。其法向磨削壓力臨界值及對(duì)應(yīng)的材料切除率如表2所示。

　　4、表面粗糙度正交試驗(yàn)結(jié)果分析

　　正交試驗(yàn)在小型無(wú)心外圓砂帶磨床上進(jìn)行，采取恒壓力外圓工件縱向進(jìn)給試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。正交試驗(yàn)因素水平如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

　　表面粗糙度和各磨削參數(shù)之間存在著復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，形式表示為：

　　Ra=KPb1Vgb2 VSb3Db4 Fb5

　　式中: Ra為表面粗糙度;K為比例系數(shù);P為砂帶粒度;Vg為工件軸向進(jìn)給速度;Vs為砂帶線速度;D為接觸輪硬度;F為磨削壓力;b1、b2、b3、b4、b5分別為各變量的指數(shù)。

　　將正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)代入式(1)中，最終得到砂帶磨削鈦合金表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型為：

　　Ra=451.06 P-0.9387 Vg0.0120 VS-0.2317 D0.0204 F-0.115

　　由回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，對(duì)于表面粗糙度，砂帶粒度和砂帶線速度對(duì)其影響很大;磨削壓力有一定影響;接觸輪硬度和工件軸向進(jìn)給速度影響不明顯。

　　由正交試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，可以得到砂帶粒度、砂帶線速度、接觸輪硬度和磨削壓力對(duì)表面粗糙度的影響，如圖(a)、(b)、(c)、(d)所示。

　　（a）   砂帶線速度對(duì)表面粗糙度的影響

　　（b）   砂帶粒度對(duì)表面粗糙度的影響

　　（c）   接觸輪硬度對(duì)表面粗糙度的影響

　　(d)     磨削壓力對(duì)表面粗糙度的影響

　　由此可知圖(a)、(b)、(c)、(d)的結(jié)論與正交試驗(yàn)結(jié)果相符合。

　　5、結(jié)論

　　本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：

　　(1)外圓砂帶磨削鈦合金時(shí)，材料去除率受砂帶線速度、磨削壓力、工件材料、磨料種類及粒度等的影響較大。其中法向磨削壓力越大，材料去除率越大;隨著砂帶線速度增大，材料去除率先增大后減小。

　　(2)通過(guò)選定參數(shù)試驗(yàn)建立了砂帶磨削鈦合金的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，并得出：對(duì)于表面粗糙度，砂帶粒度和砂帶線速度影響顯著;磨削壓力影響一般;接觸輪硬度和工件軸向進(jìn)給速度影響不明顯。單因素試驗(yàn)結(jié)論和正交試驗(yàn)結(jié)果相符合。