1 引言

      隨著全球（qiú）航天、航空業（yè）的蓬勃發展，鈦合金材料憑借其特有的突出性能，如比強度高、耐高溫、抗腐蝕性能強、密度低等優點，得到了廣泛的關注。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進行大量的（de）研究，也使得其應用領域擴展到化學工業（yè），核工業、航天、船舶等（děng）各個方（fāng）麵。

      通常（cháng），鈦合（hé）金材料作為主要結（jié）構材料多用於外（wài）殼零件，但在某些特殊情況下，如航天電機等小型（xíng）驅動元件中，也要求軸類零件采用鈦合金（jīn）材料（liào）。軸類零件因其特性，為保證尺寸、形位公（gōng）差（chà）精度要求，則多采用磨（mó）削加工（gōng）。而鈦合（hé）金材料（liào）的導熱係數（shù）僅為鋼的1/4,鋁合金的（de）1/13,銅的1/25［1］，因此作為轉軸的使用（yòng）材料在磨削加（jiā）工過程中，磨削加工區域散熱慢，不利於熱平衡，極易在加工區域形成高溫，從而導致（zhì）砂輪加速（sù）磨損，加工零件尺寸超差（chà），甚至造成零件表麵燒傷，致使加工零件報廢。因此對鈦合金軸（zhóu）類零件的磨削加工（gōng）進行研究分析成為必然。

      2 鈦合金（jīn）的磨削性能

      衡量磨削性（xìng）能的主要標準有砂輪的耐用度（即砂輪使用壽命）、磨削比（即磨削去除的材料體積與砂輪損耗體積之比）。磨削鈦合（hé）金（jīn）時砂（shā）輪的耐用度較低，原因是鈦合金具有較高（gāo）的化學親和性和較低（dī）的導熱係數，使得磨削加工區（qū）域容易（yì）形成高溫，砂輪不但（dàn）受（shòu）到（dào）正常的磨削損耗，還受到較嚴重的化學腐蝕，加速了砂輪的磨（mó）損，減少了砂輪的（de）使用壽命。鈦合金的磨削比（bǐ）較差，鈦合金在磨削（xuē）過程中砂輪磨損劇烈，容易變鈍（dùn）失效。例如在同樣條件（jiàn）下磨削鈦合金（jīn）TC4 和45 鋼，前者的磨削比隻（zhī）有1.53，而後者的磨削比為71.5。

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

      鑒於上（shàng）述原因，鈦合金應盡（jìn）量（liàng）避免作為（wéi）需要磨（mó）削（xuē）加工的軸類零件的使用材料，但是（shì）由於鈦合金材料（liào）的高強度（dù）（強度約為鐵的2 倍、鋁的6 倍），密度小（位於鋁合金和鋼之間），鈦合（hé）金的工（gōng）作溫（wēn）度範圍廣，在-253℃～500℃均可正常使用，鈦合金的抗腐蝕性優良（liáng），特別（bié）是在海水和海洋（yáng）火（huǒ）氣中抗腐蝕性極高。以上這些優越的特性就（jiù）決定了鈦合金作為（wéi）結構材（cái）料能在對體積（jī）、重量、強度、抗（kàng）腐蝕（shí）性能要求都（dōu）較高的航天、航空飛（fēi）行（háng）器上大量應用，所以有時航天器上（shàng）的微型電動（dòng）機轉軸也使用鈦合金材料。

      3 鈦合金磨削加工（gōng）的參數選擇

      根（gēn）據鈦（tài）合金的特性以及磨削性能，可以預見（jiàn）加工鈦合（hé）金軸類零件最大的困難是在磨削過程（chéng）中，加工區域因砂輪與零（líng）件相互摩擦切削產生大量熱量，又因為鈦合金導熱性差等原因，使得這些熱量無法快速有效地散發出去，致使磨削加工區（qū）域產生高溫，出現（xiàn）粘屑造成砂輪（lún）堵塞以及零件表麵燒傷。鈦合金零件（jiàn）表麵的正常加工顏色為銀灰色，燒傷後為藍色。

      為避免上述現（xiàn）象的發生（shēng），首先應（yīng）采用小（xiǎo）餘量磨削加工的方法。在磨削工序前，應安排（pái）必要的（de）粗車、熱處理和精車等加工工序，在需要磨削的（de）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（tài）合金則要更小，約為0.1mm。且加工時，分為粗磨加工和精磨加工，其具體加（jiā）工參數見表1。

      此外需注意，無論（lùn）在磨削加工還是在之（zhī）前的粗、精車加工工序中，一般轉軸類零件都選擇轉（zhuǎn）軸兩端的中心孔作為加工定位基準，盡管轉軸中心孔與機床頂針相對運動較少，但由（yóu）於該處空間較小，且磨削液基本無法達到，致使轉軸中心（xīn）孔在（zài）加工時由於摩（mó）擦產生的高溫而形變，導致定位基準失效（xiào），零件加（jiā）工尺寸超差，甚至導致零件報廢。解決該問題的（de）方（fāng）法是，可使用鋼材料加工兩個接頭（tóu），通過螺紋或膠黏結的方法固（gù）定在轉軸兩端，在粗（cū）車（chē）工（gōng）序時一同加工（gōng），這樣中（zhōng）心孔可以加工在鋼接頭（tóu）上（shàng），既避免了中心孔高溫變形（xíng）的（de）問題，也保證了零件的加工精度，在零、部件全（quán）部加工完畢後，再采用鋁製軟三爪裝夾轉軸外圓（yuán）的（de）定位（wèi）方式，將兩端接頭（tóu）去除。

      此外，根（gēn）據具體的加工情況，除采用小餘（yú）量磨削（xuē）加工的方法外，鈦合金磨削還可以采用低（dī）應力磨削或緩（huǎn）進磨削等加工方（fāng）法來提（tí）高磨削質量或生產率。

      4 砂輪的選擇（zé）由於鈦合金具有化學親和力強（qiáng）、摩擦係數大、導熱係數低等特點，在磨削加工中，不同於結（jié）構鋼（gāng）的地方是：除粘結、擴散外，鈦合金同磨料還起化學作用，從而改變了砂輪的（de）磨損性質。磨削鈦合金時，鈦合金（jīn）磨屑很快便粘（zhān）結在磨粒頂端，並與之發生化學反應，從而加（jiā）速了砂輪的磨損，所以砂輪的（de）選擇（zé）尤為重要，常用的（de）磨（mó）削鈦合金（jīn）的砂輪（lún）磨料（liào）有以下幾種：

      （1）鋯（gào）剛玉。強度和韌性都（dōu）高，耐（nài）磨性也不錯，磨削鈦合金時，砂輪不（bú）能阻（zǔ）塞。

      （2）綠碳化矽。具有較好的導熱性與半導體特（tè）性（xìng）。與鈦合金粘附較輕，砂輪不易阻塞。碳化矽易破碎形成新刀口，刀（dāo）口鋒利，降低了（le）砂輪的磨損率。

      （3）鈰碳化矽。其外觀和綠（lǜ）碳（tàn）化矽相似（sì）,與綠碳化（huà）矽磨料相比，其（qí）鈰碳化矽的顯微硬度（dù）、單顆粒抗壓強度、韌（rèn）性等（děng）均比綠碳化矽高。由於鈰碳化矽的物理性能有所改變，其磨削（xuē）效（xiào）果也得到了一定的改善。試驗證明磨鈦合金時（shí），鈰碳化矽與綠碳化（huà）矽相比，切削效率提高（gāo）近一倍，並且火花（huā）較小。

      （4）混合磨料。綠碳化矽（guī）和微晶剛玉的混合（hé）磨料，其自銳性好，砂輪阻塞性（xìng）低（dī），磨削（xuē）比雖稍低於綠碳化矽和鈰碳化矽（guī）砂輪，但磨削的表麵粗糙度最低，且（qiě）在較大的金屬去除量（liàng）範圍內，磨削的表麵粗糙（cāo）度也十分穩定。

      （5）超硬磨（mó）料。人造金剛石和（hé）立方氮化硼是兩種人造超硬磨（mó）料，它們具有極高（gāo）的硬度和（hé）優良的切削性（xìng）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（de）砂輪磨削鈦合金時，由於化學作用（yòng）而造成的砂輪磨損就顯得不（bú）那麽突出。因此人（rén）造金剛（gāng）石和立方氮化硼砂輪磨削鈦合金的效果較好，缺點（diǎn）是價格昂貴。

      砂輪的粒度是指磨粒尺寸的大小，用（yòng）粒度號來表示（shì）。粒（lì）度號越大，磨粒的尺寸越小。粗磨鈦合金時（shí），以要求生產率高為主，可選用粗（cū）粒度的砂輪。精磨時則選用細粒度的砂輪，便於降低工件表麵粗糙度（dù）。若使用過細粒度（dù）的砂輪時（shí），易出現（xiàn）磨削溫度過高從而燒傷工件表麵的現象。

      5 鈦合（hé）金磨（mó）削用磨削液

      鈦合金磨削加工時，砂輪磨粒切削工件表麵產生大量的磨削熱量，這些熱（rè）量必須使用磨（mó）削液將（jiāng）其帶走（zǒu），以降低磨削區的溫（wēn）度。對鈦合金來說，理想（xiǎng）的（de）磨削液除象磨削一般（bān）材料那樣要起冷（lěng）卻、潤滑和衝洗作用外，更重要（yào）的是要能有效地抑製鈦（tài）合金與磨料的粘附作用和化學（xué）作用，並且還要不發泡、消泡快（kuài）。由於鈦合金磨削溫度高，鈦屑易燃（rán），當使（shǐ）用油溶性磨削液時（shí）可能發生火災。所以建（jiàn）議使用合成水溶性乳化液,也可自配磨削液。需要注意（yì）的是鈦合金磨削最好不（bú）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力腐蝕開裂（liè）［3］。

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

      6 加工實例（lì）

      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（jié）構為在鈦合金轉軸上壓（yā）裝矽鋼鐵芯。該（gāi）步進電機定、轉子（zǐ）間隙僅為0.016mm，所以對轉（zhuǎn）子加工精度要求比（bǐ）較高，轉子各（gè）外（wài）圓同心度不大於0.006mm，尺寸公差要求4 級精度，表麵粗糙度Ra0.8。

      實際加工中，轉軸經過粗車、精車和必要的去氫熱處理（lǐ）等工（gōng）序後壓裝（zhuāng）鐵芯，再在進口內（nèi）外圓磨床上進行整體磨削，采用小餘量磨削加工方法（fǎ）。轉軸車（chē）削加工僅留0.1mm 的磨（mó）削餘量，然後一次（cì）裝（zhuāng）夾，進行粗（cū）磨、半精磨和精磨加工，粗（cū）磨進給量0.02mm，半精磨進（jìn）給量0.01mm，精磨時進給量0.005mm。采用（yòng）46# 粒度的鈰碳化矽砂輪，水溶（róng）性乳化液，磨削液流量大於35L/min。同批次轉（zhuǎn）子加工後未出（chū）現尺寸超差（chà）現象，合格（gé）率達（dá）到100%。

      7 結語

      鈦合金材料的磨削（xuē）性能特點決定了鈦合金軸類零件在磨削（xuē）加工中難度較大，隻有正確選擇（zé）磨削參數，砂（shā）輪以及磨削（xuē）液，配合合（hé）理的工（gōng）序安排，才能延長砂輪使用壽（shòu）命（mìng）、提高零部件的加工精度和生產效率。