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钛合金t c 4 超高速磨削表面完整性的研究 摘要 钛合金材料具有许多优异的物理机械性能，如高的比强度、耐高温、热强性 高等，在航空航天、汽车、工具、模具等领域得到日益广泛的应用。然而，也正 因为钛合金的材料特性，给传统的磨削加工方式带来了极大的挑战，如化学活性 大高，材料热导率低且热强性高，使磨削力大，磨削温度高，易堵塞和粘附砂轮， 造成加工表面层形成较大的残余拉应力，表面粗糙度差，砂轮寿命低，极易产生 磨削烧伤和表面亚表面裂纹等。这极大地增加了钛合金材料的加工成本，严重 地阻碍了其进一步的推广应用。超高速磨削技术是通过提高砂轮线速度来改善表 面加工质量或提高加工效率的一种现代加工技术，具有磨削力小、磨削温度低， 工件变形小，砂轮寿命长等特点，被誉为“现代磨削技术的最高峰 。对比分析 钛合金传统磨削难点与超高速磨削特点可以发现，超高速磨削具有解决钛合金高 效精密加工的潜力。 文献检索表明目前国内外对钛合金超高速磨削工艺方面的研究还很少，有些 领域甚至是空白。针对于此，本文以应用最普遍的钛合金材料一一t c 4 为研究对 象，在湖南大学自主开发的3 1 4 m s 超高速磨削试验台进行了超高速磨削工艺试 验，在此基础上系统研究了磨削工艺参数对磨削力及表面完整性( 包括表面粗糙 度、材料表面硬化层的微观硬度与白层) 的影响，得出以下结论： ( 1 ) 采用超高速磨削技术进行钛合金t c 4 的磨削，可以有效地降低磨削力， 减少砂轮的粘附，并获得较好的表面粗糙度。 ( 2 ) 在钛合金t c 4 的高速超高速磨削工艺中，工艺参数对单位面积磨削力 的影响较大：单位面积法向磨削力与切向磨削力r 均随磨削深度和工件速度v w 的增大而增大，随砂轮线速度的升高而减小。 ( 3 ) 在钛合金的超高速磨削表面存在白层和热影响层，在超高速磨削条件 下，白层的厚度较薄。磨削深度的增大使得磨削力和比磨削能均增大，相变的机 会增多，故白层厚度随磨削深度的增大而增大；亚表面微观硬度变化规律与白层、 热影响层厚度有很好的相关性。 ( 4 ) 以砂轮线速度、磨削深度和工件速度作为输入特征量，采用b p 神经 网络对工件表面粗糙度值进行预测。结果表明这种方法能够有效实现钛合金t c 4 超高速磨削的表面粗糙度预测，预测结果与试验结果趋势基本一致。 关键词：高速磨削；钛合金；表面完整性；神经网络 n a b s t r a c t t i t a n i u ma l l o yi so n eo ft y p i c a ld i m c u l t - t o m a c h i n em a t e r i a l s ，a n d i sw i d e l y u s e di ni n d u s t r i e sd u et oi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s b u tt h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e s s u c ha sh i g hg r i n d i n gf o r c e ，h i g hg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei nt h eg r i n d i n gp r o c e s so t t i t a n i u ma 1 1 0 v ；r e s u l ti ns u r f a c eb u r n ，r e s i d u a ls t r e s sa n dw o r s eq u a l i t y u l t r a - h i g h s p e e dg r i n d i n gc a ni m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t i e sb yh i g hg r i n d i n g w h e e ls p e e d ，w h i c hh a sl o wg r i n d i n gt e m p e r a t u r e ，l o wg r i n d i n g f o r c e ，l o w d e f o r m a t i o n b yc o m p a r i s o no fa d v a n t a g e s s p e e dg r i n d i n g ，u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g m a c h i n et i t a n i u ma l l o y s o fc o n v e n t i o n a lg r i n d i n ga n du l t r a - h i g h i sr e g a r d e dt oa ne f f i c i e n c ym e t h o dt o f r o ml i t e r a t u r e sr e v i e w ，i ti sk n o w nt h a tt h e r ea r eaf e ws t u d i e so ng r i n d i n go f t i t a n i u ma l l o y t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d ya i ma tu l t r a - h i g hs p e e dg r i n d i n gt e c h n o l o g y o nt i t a n i u ma l l o yg r i n d i n go n3 14 m sg r i n d e rd e s i g n e db yh u n a nu n i v e r s i t y b y a n a l y s i so fs u r f a c ei n t e g r i t y o ft i t a n i u ma l l o y , s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na s f o l l o w i n g ： ( 1 ) i tr e d u c e dt h eg r i n d i n gf o r c ea n dc l i n gt og r i n d i n gw h e e lw h i l et i t a n i u m a l l o vi sm a c h i n e db yu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gm e t h o d ，t h e r e f o r e ，b e t t e rs u r f a c e r o u g h n e s sw a s o b t a i n e d ( 2 ) t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c tg r i n d i n gf o r c ep e ra r e ag r e a t l y i nt h ep r o c e s s o fu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n go ft i t a n i u ma l l o y n o r m a la n dt a n g i b l eg r i n d i n gf o r e e p e ra r e ab e c o m e sb i g g e rw i t hi n c r e a s i n go fg r i n d i n gd e p t ha n d w o r k p i e c es p e e d b u t g r i n d i n gf o r c ep e ra r e ad e c r e a s ea th i g hg r i n d i n gw h e e ls p e e d ( 3 ) t h ew h i t el a y e ra n dh e a t a f f e c t e dl a y e re x i s to n t h es u r f a c e s u b s u r f a c eo f t i t a n i u ma 1 1 0 y a n dt h et h i c k n e s so fw h i t el a y e ri st h i n t h eb i g g e rg r i n d i n gd e p t h ， t h et h i c k e rw h i t el a y e ri s t h ec h a n g ei fm i c r oh a r d n e s si sc o n s i s t e n tw i t ht h i c k n e s s o fw h i t el a y e ra n dh e a t a f f e c t e dl a y e n ( 4 ) i tp r e d i e t e dt h es u r f a c er o u g h n e s so f t i t a n i u ma l l o yb ym e t h o do fb pn e u r a l n e t w o r kw h i c hg r i n d i n gw h e e ls p e e d ，g r i n d i n gd e p t ha n dw o r k p i e c es p e e da r eu s e d a si n p u tp a r a m e t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w sb p n e u r a ln e t w o r km e t h o dc a nb e u s e dt op r e d i e ts u r f a c er o u g h n e s s ，a n di ti sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t s k e yw o r d s ：h i g hs p e e dg r i n d i n g ；t i t a n i u ma l l o y ；s u r f a c ei n t e g r i t y ； n e u r a ln e t w o r k i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：哺日i 埠日期：2 p 。7 年月 fe l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：哺砖晦日期：2 7 年月fe l 剔帷锄智 钏武醐： - 1 引月日 高校教师硕上学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着技术的发展，难加工材料( 钛合金、镍基合金等) 由于具有比强度高， 耐高温、热强性高的优良的物理机械性能，在航空航天、汽车、工具、模具等领 域的应用日益广泛。然而，这些难加工材料在磨削加工中由于磨削力大，磨削温 度高，磨削比很低，易堵塞和粘附砂轮，造成加工表面层形成较大的残余拉应力， 表面粗糙度差，砂轮寿命低，极易产生磨削烧伤和表面亚表面裂纹，直接影响 零件加工精度、表面完整性、加工效率、甚至影响产品的使用性能和寿命，因而 制约了这些材料在工业界的大批量应用。据统计：这些难加工材料在磨削加工时， 砂轮的损耗占了磨削总成本的4 0 7 0 ，磨削成本是总加工成本的4 0 9 0 ， 磨削比g 为3 0 5 0 ，而普通钢的g 在6 0 2 0 0 。 钛作为工程材料只不过5 0 多年的历史，钛合金的密度小、比强度高，是宇 航工业的理想材料；其良好的耐腐蚀性，又是航海、石油、化工、医药等行业的 理想材料；由于钛合金良好的机械力学性能，被誉为“未来的金属 ，在国民经 济各部门广泛地得到应用，尤其在制造飞机、火箭、导弹等产品时成为不可缺少 的材料。 在2 0 世纪9 0 年代初，很多钛合金零件对尺寸精度和表面粗糙度要求并不甚 高，多数只需精车即可满足要求。进入2 1 世纪，随着科技发展和产品性能的提 高，对钛合金零件的尺寸精度和表面粗糙度要求越来越高钛合金的磨削加工性能 很差，磨削时存在很多难题心3 4 1 ，这已成为其未能广泛推广应用的主要原因。 近几十年来，对于高速超高速磨削所带来的技术优势和经济效益，人们给予 了充分的注意和重视。它具有优良的加工性能哺呻1 ：( 1 ) 由于磨粒相对工件的速 度已经接近于应力波在材料中的传播速度量级，使材料变形区域明显变小，消耗 的切削能量更集中于磨屑的形成，磨削力和比磨削能小，工件变形小；( 2 ) 超高 的磨削速度使单颗磨粒受力减小，磨损减少，砂轮寿命延长；( 3 ) 磨削表面粗糙 度值会随砂轮速度提高而降低，磨削热量也主要集中在磨屑和工件表面，受力和 受热变质层薄，表面加工质量高；( 4 ) 在超高速磨削条件下，变形区材料应变率 高，相当于在高速绝热冲击条件下完成切削，使材料更易于磨除，并使难磨材料 的磨削性能改善，可以对硬脆材料实现延性域磨削，同时也增加了韧性材料在弹 性小变形阶段被去除的比率。 超高速磨削是一种能高效、经济地加工零件的现代加工技术。它可大大提高 钛合金t c 4 超高速磨削表面完整件的研究 加工生产率和工件表面质量，并能实现粘性金属和脆性金属等难加工材料的高效 加工，大幅度缩短产品的生产制造周期，降低加工成本。 磨削加工按砂轮线速度的高低可分为普通磨削( v s = 3 0 4 5m s ) 、高速磨削 ( v s = 4 5 15 0 m s ) 、超高速磨削( v s 15 0 m s ) 。 和普通磨削相比，超高速磨削显示出极大的优越性心3 4 1 ： ( 1 ) 磨削效率高：磨削时工件的进给速度应与砂轮线速度的次方成比例，而 超高速磨削时磨削速度1 ，15 0 m s ，所以它必然和快速进给相联系，因而可使磨 削效率显著提高。 ( 2 ) 加工精度高：由于磨屑厚度变薄，在磨削效率不变时，法向磨削力随磨 削速度的提高而大幅度减少，从而减小磨削过程中的变形，提高工件加工精度。 ( 3 ) 降低磨削表面粗糙度：超高速磨削时磨屑厚度小，且磨粒在磨削区上的 移动速度和工件的进给速度均大大加快，磨削区迅速离开工件表面，加上应变率 响应的温度滞后影响，使工件表面上的残余应力减小，因而能明显降低磨削表面 粗糙度。 ( 4 ) 加工表面完整性好：虽然超高速磨削时采用大磨削用量，但由于传入工 件的磨削热，比例远低于普通磨削，因而可以不发生磨削表面热损伤，并减小工 件表面的残余应力，因而有利于获得良好的表面物理性能和机械性能。 ( 5 ) 砂轮使用寿命长：超高速磨削时单个磨粒上所承受的磨削力大幅度减 小，因而可减少砂轮磨损，提高砂轮的使用寿命。 1 2 超高速加工理论与磨削机理 1 2 1 高速超高速加工理论 韧雕送廑v ( m m m ) 图1 1 切削速度变化和切削温度的关系( 萨洛蒙曲线) 吲 超高速加工的概念由德国切削物理学家c a r l j s a l o m o n 于1 9 3 1 年首先提出。 s a l o m o n 指出，在普通的切削速度范围内( 见图1 1 中的a 区) ，切削温度和切削 2 高校教师硕一 ：学位论文 速度几乎成正比。切削速度进一步增大至超过临界速度1 ，。时，切削温度经过极 限温度后逐渐降低，。的值与工件材料的种类有关。对于每一种材料，在临界速 度两侧都将存在一个从 ，到v 2 速度范围，在这个速度范围内( 图中1 1 的b 区) ， 由于切削温度太高，任何刀具都将无法承受。s a l o m o n 的理论给后人一个非常重 要的启示：如果能越过临界速度而在超高速区进行工作，则有可能用现有的刀具 进行超高速切削，从而大幅度提高生产率。s a l o m o n 在高速切削理论上的最大更 献是在于他提出了一个不可切削区域的概念，从而奠定了高速切削加工的理论基 础，后来这一理论被应用于磨削领域，经过几十年的努力，高速超高速磨削技 术得到了成分的发展。 1 2 2 高速超高速磨削机理 缓进给深磨工艺在六十年代初期诞生于当时的联邦德国，解决了当时镍基高 温合金叶片桦槽的加工难题。它本身具有很大的潜力，但是由于缓磨机理的研究 无法圆满解决生产中提出的涉及加工质量和效率的若干根本性问题，因为潜力难 以得到充分发挥，其中最明显的是一直无法有效地控制生产中突发的工件表面烧 伤问题，因而还不能认为是一项成熟的工艺。在进一步深入研究缓进给磨削工艺 的过程中，英国b r i s t o l 大学的c a n d r e w 教授作出了极其重要的贡献，他通过基 础研究所阐明的缓磨烧伤的发生机制以及作为控制烧伤的对策所提供的缓磨时 砂轮的连续修整方案为缓磨工艺最终能在生产中大面积推广应用奠定了基础，高 速深磨工艺也正是在此基础上发展起来的。 高速深磨是在缓进给深磨的基础上通过提高砂轮线速度来提高磨除率和磨 削质量的工艺方法，可以用磨削参数对未变形切屑尺寸的影响来简单说明高速深 磨的机理。未变形切屑平均厚度口窖n 们可表示为： 一a g = 詈专 m ， 其中，名。为磨粒平均间距：v w 为工作台速度；v 。为砂轮线速度；a p 为磨削深度。 由上式可知，在其他参数不变的前提下，单纯提高砂轮线速度，单位时间通过磨 削区的磨粒数增加，未变形切屑平均厚度减小，作用在单颗磨粒上的磨削力也相 应减小，有利于提高零件的尺寸和形状精度，也可减小砂轮磨损；同时，未变形 切屑平均厚度的减小还可降低磨削后工件表面粗糙度。如果保持未变形切屑厚度 不变，在提高砂轮线速度的同时相应增加工件进给速度，即采用高速深磨方式， 作用在单颗磨粒上的磨削力和宏观磨削力基本不变，可在工件表面粗糙度和磨削 比基本相当的条件下大幅度地提高磨除率。 当然，在高速深磨中，无论是磨削区材料的成屑、变形和摩擦机制，以及磨 削区的传热条件都发生了复杂的变化，仅用未变形切屑平均厚度的变化不足以说 3 钛合会t c 4 超高速磨削表面完整件的研究 明高速深磨中的许多现象。对高速深磨磨削机理的研究还需考虑许多其他因素， 其中尤为重要的是磨削过程中传热机制n 。 1 3 高速超高速磨削技术国内外发展现状 1 3 1 国外高速超高速磨削技术的发展 美国在缓进给深切磨削方面的研究现在居世界领先水平。1 9 7 0 年美国的本 迪克斯公司曾出产了9 1 m s 切入式高速磨床。超高速磨削由于设备研究投资大周 期长技术复杂等而一度搁浅，后来在政府的特殊资助下得以起步。19 9 3 年，美 国的e d g e t e km a c h i n ec o r p 是美国唯一能够生产高效深磨机床的企业。该公司首 次推出的超高速磨床采用单层c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 3 m s ，用以加工淬 硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。该公司生产的小型3 轴、4 轴及5 轴 c n c 经济型高效深磨机床，其床身及立柱均采用铸铁材料或封有花岗岩的钢基 体以提高刚性减少振动，利用成形c b n 砂轮对淬硬钢实现了高效磨削，表面质 量可与普通磨削相比。美国c o n n e c t i c u t 大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨 床，最高磨削速度达到2 5 0 m s n 引。 目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用c b n 砂轮。可实现i6 0 m s 的速度7 5 m m 3 ( m m s ) 的切除率，对高温合金i n c o n e l 7 1 8 进行高效磨削，加工 后达尺1 2 “m ，尺寸公差1 3 l a m 。另外采用直径4 0 0 m m 的陶瓷c b n 砂轮，以 1 5 0 - - 2 0 0 m s 的速度磨削，可达到尺。o 8 1 x m ，尺寸公差2 5 5 p m 。美国高速磨 削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。传统的方法是采用多工序磨削， 而高速磨削试图采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高质量 的氮化硅陶瓷零件。 欧洲高速磨削技术的发展起步早。早在6 0 年代末，欧洲，实验室磨削速度 己达2 1 0 一 2 3 0 m s 。7 0 年代末期，c b n ( c u b i cb o r o nn i t r i d e 立方氮化硼) 砂轮 在高速磨削中得到应用。意大利的法米尔( f a m i r ) 公司在1 9 7 3 年9 月西德汉诺 威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度1 2 0 m s 的r f t c 1 2 0 5 0 r 型磨轴承 内套圈外沟的高速适用化磨床。9 0 年代初，已经实现了最高速度3 5 0 m s 的磨削 实验。目前，实际应用中，高速磨削和精密磨削最大磨削速度在2 0 0 - - 2 5 0 m s 之间n 3 1 。 德国在超高速磨削技术研究和应用方面最先发展，现在仍居世界领先地位。 在c b n 砂轮应用的基础上，集砂轮超高速、高进给速度( 0 5 1 0 m m i n ) 和大 磨削深度( 0 1 3 0m m ) 为一体的高效深磨( h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ) 技 术是超高速磨削在高效磨削方面应用的典型。它可以获得远高于普通切削加工的 金属去除率。超高速磨削可以大幅度提高磨削效率、延长砂轮使用寿命和降低加 4 高校教师硕十学位论文 工工件表面粗糙度，可以对脆性材料实现延展性域磨削，对高塑性和难磨材料也 有良好的表现h 钆1 5 】。 在超高速磨削装备方面，德国走在世界的前列。德国的g u h r i n ga u t o m a t i o n 公司在超高速磨床的研制方面较为著名。该公司十几年以前即最先推出超高速磨 床，并为阿亨( a a c h e n ) 工业大学开展5 0 0 m s 的磨削研究制造了设备n 引。在r b 6 2 5 超高速外圆磨床上由毛坯直接磨成曲轴，每分钟可磨除2 千克金属( c b n 砂轮， 砂轮线速度l2 0 - 1 6 0 m s ) 。在f d 6 1 3 超高速平面磨床上磨削宽1 l0 m m 、深 3 0 m m 的转子槽时，进给速度可达3 0 0 0 m m m i n ( c b n 砂轮，砂轮线速度1 5 0 m s ) 。 该公司的n u 5 3 4 、n u 5 3 5 r 和n u 6 3 5 型沟槽磨床使用陶瓷结合剂c b n 砂轮， 砂轮线速度1 2 5 m s ，一次快进给磨出西2 0 m m 钻头沟槽，磨削去除率达5 0 0 m m 3 ( m m s ) 。k a p p 公司制造的高效深磨用超高速磨床可以利用3 0 0 m s 砂轮线速度， 在6 0 s 内对有1 0 个沟槽的成组转子毛坯完成一次磨削成型，砂轮寿命可完成1 3 0 0 个转子的加工，宽度精度为2 t i n 。德国s t u d e r 公司、s c h a u d t 公司也相继开发并 推出了各自的超高速磨床。s o n gm a c h i n e r y 公司、n a x o su n i o n 公司等企业在超 高速磨削应用方面也卓有建树，反映出欧洲企业在高效深磨技术实用化方面的领 先地位m 1 。 德国的阿亨( a a c h e n ) 工业大学、b r e m e n 大学的研究人员在高效深磨技术 的研究上取得了世界公认的高水平成果，并在铝合金、钛合金、康镍合金等难磨 材料方面进行了高效深磨的有益探讨。b r a u n s c h w e i g 大学、柏林( b e r l i n ) 工业 大学等也进行了高效深磨技术的研究。 日本在超精密磨削方面的研究居世界领先水平。日本的超高速磨削主要不是 以获得高主产率为目的，而对磨削过程的综合性能更感兴趣。它的磨除效率普遍 维持在6 0 m m 3 ( m m s ) 以下。因此日本的超高速磨削可称为精密超高速磨削n 。 日本的丰田工机、三菱重工等公司均能生产应用c b n ( 立方氮化硼c u b i c b o r o nn i t r i d e ) 砂轮的超高速磨床，日本的三菱重工推出的c a 3 2 一u 5 0 a 型c n c 超高速磨床，采用陶瓷结合剂c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 0 m s 。丰田工机在 g z 5 0 型c n c 超高速外圆磨床上装备了其最新研制的t o y o d as t a t eb e a r i n g 轴承， 使用圆周速度2 0 0 m s 的薄片陶瓷结合剂c b n 砂轮对回转体零件沿其形状进行 一次性纵磨来完成整个工件的柔性加工过程，并首先在曲轴销加工方面应用成 功。冈本机床制作所等多家企业也急起直追，推出c n c 超高速磨床，己在日本 等大企业销售使用，加工的工件主要是曲轴等回转体零件。 日本学者对超高速磨削机理进行了研究，井上孝二在c b n 砂轮磨床上曾对 三种不同砂轮线速度的磨削效果进行了对比，指出在金属磨除率为2 0 m m 3 ( m m s ) 不变的情况下，提高砂轮线速度可显著增大磨削比，降低磨削力，且 使工件表面层产生均匀的压应力。此外，大下秀田、小川养三、汪川、庄司克雄、 5 钛合金t c 4 超高速磨削表面完整忡的研究 稻日丰、横川宗彦和长谷川等都对精密超高速磨削的磨削效率、磨削方法和磨削 性能优化等方面进行了研究。日本还研究了利用超高速磨削实现对硬脆材料的高 性能加工，高桥正行等从普通砂轮线速度到2 0 0 m s 对玻璃的加工性能进行了对 比研究，指出超高速磨削玻璃表面粗糙度要比普通速度磨削小得多。其加工状态 随磨粒磨削深度的变化可分为三个阶段：延性域、延脆性混合域和脆性域。大 幅度提高砂轮线速度，可显著减少单颗磨粒未变形切削厚度，使玻璃加工始终处 于延性域内进行，促使加工工件表面质量提高心引。 1 3 2 国内高速超高速磨削技术的发展 我国高速磨削起步较晚，1 9 5 8 年开始推广高速磨削技术，19 6 4 年进行了5 0 m s 高速磨削试验，在机床改装和工艺等方面获得一定成果。1 9 7 6 年对8 0 m s 、1 0 0 m s 高速磨削工艺进行了试验研究。1 9 8 2 年湖南大学进行了6 0 m s 高速强力凸轮磨 削工艺试验研究。2 0 世纪8 0 年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究， 磨削速度达8 0 m s ，磨削压力在2 5 0 0 - - 5 0 0 0 n 以上。1 9 9 5 年，汉江机床厂使用陶瓷 c b n 砂轮进行了2 0 0m s 的超高速磨削试验。广西大学于1 9 9 7 年开展了8 0 m s 的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。至2 0 0 0 年湖南大学一直在开展高速 磨削研究工作。在2 0 0 0 年中国数控机床展览会上，湖南大学推出了最高线速度达 1 2 0 m s 的数控凸轮轴磨床。从2 0 0 2 年开始，湖南大学开始针对一台2 5 0 m s 超高 速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计。2 0 0 1 年，广西大学开展了高速磨削表面微观形貌的研究。2 0 世纪9 0 年代至现在，东北 大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度 2 0 0 m s 、额定功率5 5 k w 、最高砂轮线速度达2 5 0 m s 的超高速试验磨床，并先 后进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、2 0 0 m s 电镀c b n 超高速砂轮 设计与制造、超高速磨削成屑机理研究、超高速磨削热传递机制研究、高速钢的 高速深磨研究、超高速单颗粒c b n 磨削试验研究、高速单颗粒磨削机理研究、 超高速磨削温度场研究、磨削摩擦系数的研究、超高速磨削砂轮表面气流场的研 究、超高速磨削机理分子动力学的仿真以及磨削智能化等方面的研究，部分研究 成果达到国际先进水平、部分研究成果与国际水平持平。 在我国，湖南大学在高速超高速磨削机理与装备方面的研究处于领先地位， 在上世纪7 0 年代，湖南大学进行了6 0 - - 8 0 m s 高速磨削实验，1 9 7 7 年，湖南大 学在实验室利用砂瓦进行了10 0 m s 、1 2 0 m s 高速磨削实验。19 8 0 1 9 8 5 年，在国 内首次提出了冷激铸铁的以磨代车高效磨削工艺，实现了对冷激铸铁轴的以磨代 车的一次性磨削加工，加工效率比传统磨削提高3 8 倍，在东风汽车公司、一汽 集团、南汽等国内数百家汽车发动机企业得到大批量推广应用。1 9 9 5 1 9 9 8 年， 首次在国内提出了高速强力磨削工艺，实现了高速重负荷下的大余量进给磨削。 6 高校教师硕卜学位论文 通过对对湖南动力机厂三缸柴油机高速强力凸轮轴磨削大量试验及磨削机理的 探讨，实现了对凸轮轴的高效强力磨削。2 0 0 0 2 0 0 2 年，开发了切点跟踪高速磨削 曲轴新工艺，从根本解决了曲拐、偏心圆等类零件工序分散加工造成的加工效率 低和重复定位误差大的难题，实现了曲轴的高效与柔性磨削加工。2 0 0 4 2 0 0 6 年， 对4 5 # 钢、4 0 c r 等金属材进行了c b n 砂轮从9 0 m s 2 5 0 m s 不同磨削工艺参数超 高速磨削工艺研究，获得了不同材料的最佳磨削参数。2 0 0 4 2 0 0 7 年，提出了优化 选择各种磨削参数以最大限度地实现材料的延性域加工，减少磨削表面亚表面 裂纹和损伤的方法，实现了硬脆陶瓷材料平面、薄壁深沟槽的高质量低成本加 工。使工程陶瓷一次性进给磨削深度达6 m m ，材料切除率 1 2 0 m m 3 ( m m s ) ， 磨削比 16 7 0 ，被磨削工件亚表面微裂纹深度 l0 “m 。 现阶段我国超高速磨削发展最主要的问题就是由于受实验装置及实验手段 的限制，进行的相关工艺实验较少，甚至在某些领域是空白。有报道称东北大学 进行了2 0 0 m s 超高速磨削实验，但相关的论文还未见刊出，另外，辽宁工学院 的金滩进行了砂轮高速磨削条件下工件表面质量的综合控制研究，砂轮线速 度范围为3 0 10 0 m s ，砂轮速度较低；湖南大学罗宁在湖南大学国家高效磨削 工程研究中心开发的15 0 m s 超高速磨削实验台上进行了砂轮最高线速度为 1 2 0 m s 的金属材料工艺实验研究，并对磨削质量进行了预测心引；东北大学冯宝 富、宋贵亮、蔡光起等在改制的超高速实验机床上进行了一系列单颗粒c b n 磨 粒磨削实验，对高速单颗磨粒磨削机理进行研究，实验磨粒线速度最高为 1 2 0 m s ，磨削材料为4 5 # 钢、2 0 c r 钢和钛合金t c 4 以及高温合金g h 4 1 9 d 一1 。 1 4 课题来源及研究意义 钛合金、镍基耐热合金、高温合金、高强度合金钢等难磨材料在普通磨削条 件下的磨削加工性极差。磨削时砂轮钝化迅速、磨削温度高、表面质量差。而在 超高速磨削条件下，磨屑变形速度接近静态塑性变形应力波传播速度，材料变形 应变率极高，塑性变形滞后，相当于材料塑性减小，降低了加工硬化倾向、表面 粗糙度数值和残余应力，从而可实现延性材料的“脆性 加工。例如用2 0 0 m s 磨削纯铝时，工件表层硬度为5 0 h v ，表面粗糙度r a 2 2l am l 磨削速度为2 8 0 m s 时，工件表层硬度为4 5 h v ，r a l 81 tm 。可见，当磨削速度大于2 0 0 m s ( 纯铝静 态应力波的传播速度约为2 0 0m s ) 时，加工硬化及表面粗糙度数值下降，表面 质量提高。所以，在超高速磨削条件下，硬、脆、高韧性、高塑性材料也可以获 得良好的磨削加工性能。在第4 2 届国际生产工程研究学会年会的磨削委员会主 题报告中就明确指出，对钛合金、铝合金难加工材料的高性能加工将是超高速磨 削技术的重要应用领域n t2 副。 迄今为止，国内外钛合金磨削加工的研究已经取得了一定的进展，但是还存 7 钛含金t c 4 超高速磨削表面完整忭的研究 在很多尚待深入探索的问题。经过文献查阅，在钛合金的高速磨削加工方面，国 内基本上处于空白，只有湖南大学进行了部分研究，并没有系统地研究钛合金的 高速磨削机理和工艺。高速超高速磨削工艺技术的发展，为解决难加工材料的 技术瓶颈问题，提供了有效途径与方法，实现对难加工材料的高效率、高质量、 低成本加工的一种有效的工艺手段。 本课题正是这样的背景下产生的，本研究内容来源于湖南大学承担的国家科 技项目“难加工材料高速超高速磨削技术研究 。以典型难加工材料钛合金t c 4 为研究对象，进行超高速磨削工艺试验，揭示磨削工艺参数对钛合金表面完整性 的影响规律；分析试件磨削表面白层厚度与磨削参数之间的变化规律；寻求提高 表面质量的工艺参数方法。 通过研究难加工材料钛合金t c 4 的高速超高速磨削工艺与表面完整性之间 的关系，开发钛合金t c 4 的高速超高速磨削工艺技术，以进一步发展和完善钛 合金高速超高速磨削理论与工艺体系，充实超高速磨削工艺数据库，为我国高 速超高速磨削装备的设计制造提供关键技术支持。同时也期望通过大量的实验 研究能对我国难加工材料超高速磨削技术的发展及逐步缩短同发达国家在这方 面的差距起到一定的推动作用。 1 5 本文的主要研究内容 为提高加工效率与质量，对钛合金高效磨削加工机理和工艺的研究有待深入 探索，以进一步发展和完善钛合金磨削理论和工艺技术，更好的指导生产实践。 课题来源于湖南大学承担的国家科技项目“难加工材料高速超高速磨削技 术研究 ，是整个课题研究的一部分。以难加工金属材料钛合金t c 4 为研究对象， 进行超高速磨削工艺基础实验，揭示磨削工艺参数对钛合金表面完整性的影响规 律；分析白层厚度的变化规律；寻求提高表面质量的工艺参数方法。 论文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 第1 章阐述了本文的研究背景、国内外高速超高速磨削技术的进展，论 述了发展钛合金高速超高速磨削工艺技术的必要性，以及开展本文研究的理论 意义和实用价值。 ( 2 ) 第2 章主要综述了钛合金t c 4 的材料特性与加工工艺特点，钛合金的磨 削特点及钛合金磨削技术进展，表面完整性评价，以及磨削表面的创成机理。 ( 3 ) 第3 章主要介绍了本研究所采用的试验设备，试件材料，磨削力的采集 与分析，以及相关检测仪器，并制订了试验工艺方案。 ( 4 ) 第4 章主要揭示了磨削工艺参数对磨削力以及表面完整性的影响，对比 了不同砂轮线速度下试件的磨削表面微观形貌和表面粗糙度，分析了白层厚度与 磨削参数的关系，检测了距工件表面不同深度的微观硬度，研究了磨削参数变化 高校教师硕卜学位论文 对粗糙度的影响。 ( 5 ) 第5 章采用了用神经元网络方法对钛合金t c 4 高速磨削表面粗糙度进行 了预测，以砂轮线速度、砂轮磨削深度、工件速度三个特征值作为输入量，表面 粗糙度作为输出量，将预测结果与实验结果进行了对比分析。 9 钛合金t c 4 超高速磨削表面完整件的研究 第2 章钛合金材料特性及其磨削特点 2 1 钛合金材料特性 2 1 1 钛合金的分类 钛在地壳中的含量为o 6 3 ，居地球各种元素的第九位，按金属元素计为第 七位，而按金属结构材计，仅次于铝、铁、镁而居第四位。金属钛的生产方法是对 金红石矿物进行氯化处理，形成四氯化钛，然后再用钠或镁还原( 分别为h u n t o r 和k r o l l 法) ，将所得到的海绵钛添加合金元素并压实成电极，再用真空自耗电极 电弧法熔炼心们。 钛及其合金的密度为4 5 9 c m 3 左右，仅为钢的5 8 。钛合金的比强度、比 刚度高，抗腐蚀性能和接合性能良好，高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好， 具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。 1 9 5 6 年麦克格维伦提出了按照退火状态相组成对钛合金进行分类，各种不 同特性的钛合金按其退火组织可以分为三类：q 钛合金、1 3 钛合金及q + 1 3 钛合金 ( 包括含有少量1 3 相的近q 合金) 。它们的划分可以利用钛钒合金状态图的1 3 相转 变成q 相部分( 如下图2 1 所示) 来加以说明乜p 2 引。 图2 1 钛合金分类 如果钛中钒的加入量少于d 点的含量时，这样的钛钒合金，从b 相变温度以上的 温度空冷下来，如垂线1 所示，将转变成条状的q 相组织，这样的合金成为q 钛 合金。如果钛中加入的钒很多，并大于1 5 时，如图中垂线2 所示的那样，在 淬火冷却或空气冷却的条件下，将得到单一的不够稳定的b 相，这样的合金便是b 钛合金。在垂线l 和2 之间，约从d 点到15 钒点的成分范围内的合金，都是q + b 两相钛合金。 ( 1 ) c t 钛合金：退火组织为以q 钛为基体的单相固溶体的合金称为q 合金。 1 0 高校教师硕上学位论文 我国q 钛合金的牌号为t a ，后跟一个代表合金序号的数字，t a 4 t a 8 都属于a 钛合金。这类合金中的合金元素主要是q 稳定元素和中性元素，如铝、锡、锆， 基本不含或只含很少量的1 3 稳定元素，强度较低。其主要特点是高温性能好，组 织稳定，焊接性和热稳定性好，是发展耐热钛合金的基础，同时抗腐蚀性高。缺 点是强度不高，变形抗力大，热加工性差。 ( 2 ) q + 1 3 钛合金：退火组织为a + 1 3 相的合金称为a + b 两相合金。当1 3 稳定 化元素超过一定临界成分时，称为富1 3 的q + b 钛合金：当b 稳定化元素低于临界 成分时，称为贫b 的a + b 钛合金。工业用a + b 钛合金的组织中仍以a 相为主， 但含有一定量的( 一般 3 5 0 ，强度 9 8 1m p a ，延伸率6 3 0 ，冲击韧度