1、引言

钛合金被以为是“质轻、高强、耐热”资料的典型 代表
，它的强度高于钢
，密度仅为其60%,并可持久 服役于300 °C?350 °C的温度环境
，加之分歧型号钛合金展示出的在成形和焊接等方面的特点
，使钛合金 宽泛利用于工程领域
，最具代表的是航天航空领域
。

2、钛合金切削、磨削加工存在的重要问题

钛合金资料重要有下列几个磨削特点：

(1)磨削比低
，砂轮粘附严沉
。观察单颗磨粒磨 削钛合金的磨粒顶端或磨削钛合金的砂轮表表
，钛呈 云雾状遍布粘附于磨粒顶部
，险些看不到磨粒
。由于 粘附物与钛合金磨削表表还要再接触
，在磨削力作用 下
，导致砂轮磨损严沉
，磨耗比降落
。

(2)磨削力大
，磨削温度高
。通过对单颗磨粒磨 削尝试分析发现
，钛合金磨削时
，滑擦过程所占的比 沉较大
，而磨粒与工件的接触功夫极短
，在此极短的 功夫内产生强烈摩擦和急剧的弹、塑性变形
，最后钛 合金才被切去而成为磨屑
，产生大量的磨热
，磨削温 度高达1000C?1500C
。另表磨削钛合金粘附严 沉
，变形剧烈
，钛合金钢的导热性又很差
。因而
，磨削 力大
，磨削温度高
，法向磨削分力比磨削45号钢大数倍
，切向磨削分力大近一倍,磨削温度也高近一倍
。

(3)磨削过程中变形复杂形成层叠状挤裂切屑
。

(4)化学活性高
，表表易天生硬脆性变质层
。钛 脊合金高温时化学活性很高
，天生TO、TiN、TiH 等脆硬层
，降低了塑性
。这样
，一方面使得切削出现 挤裂屑
，另一方面使得加工表表层产生部门应力集 中
，降低了委顿强度
。

(5)磨削质量不易节造
。磨削钛合金时
，产生的 拉应力和表表传染层
，以及磨削区70% ~80%的磨 削热传入工件不易导出
，使工件产生变形、烧伤和裂 纹
，表表粗糙度也难保障
。

(6)装夹变形
。钛合金属于有色金属
，不能磁化
。 选取机械装卡会使板状型工件产生较大装卡变形
，磨 削时可使用真空吸盘进行装卡
，工件变形较幼
。

3、金刚石砂带磨削法

钛合金的密度幼、强度高
，占有优良的耐热性和 耐侵蚀性
，是造作航空发起机叶片、整体叶盘的沉要资料之一
。由于钛合金拥有导热系数低、弹性模量 幼、化学亲和性大等特点
，是一种典型的难加工材 料［-3］
。航空发起机叶片刚性差
，精密磨削难度极大
。 砂带磨削适应性强、工艺矫捷性好
，此刻已经逐步成 为航发钛合金叶片精密磨削及抛光有效伎俩［45］
。但 是
，在航空发起机叶片磨削过程中的砂带磨损使得叶 片的磨削质量和产品一致性难以保障
，严沉影响航空 发起机的服役机能
。

金刚石砂带是一种新型超硬资料涂附磨具
，耐磨 性好
，在航空航天领域拥有辽阔的利用前
，已经起头 用于航空发起机叶片的精密磨削加工中
。 但目前关 于航空发起机钛合金叶片磨削过程中的金刚石砂带 磨损的钻研极度少
，因而钻研钛合金金刚石砂带磨削 磨粒磨损拥有极度沉要的意思
。针对金刚石工具的 磨损原因
，部门学者指出：在玄色金属、钛合金和镍基 高温合金的加工中
，金刚石工具中的碳元素和工件材 猜中的铁、钛、镍等元素在加工过程的高温作用下
，容 易产生物理化学反映
，从而导致金刚石工具的磨损
。 Li等［6］指出在加工过程中的高温作用下
，工件资料 中游离迪胙原子在金刚石的石墨化磨损过程中起到 金属催化剂的作用
。Zuo等口指出加工过程中金刚 石产生的石墨化转变、氧化反映等物理化学反映随着 温度的升高更容易产生且越发剧烈
，同时在铁原子催 化作用下
，在较低的温度(500K)下即可产生氧化还 原反映
。梁巧云等［1］发展单颗金刚石磨粒磨削钛合 金过程仿真
，进行航发钛合金叶片磨削试验
，并使用 扫描电镜、超景深显微镜等对磨削后的叶片及砂带进 行检测
，分析磨削过程中金刚石砂带的磨损
。得出结 论如下：(1)金刚石砂带在磨削速度为10m/s时
，摩 擦接触点的均匀温度可达到700K以上
，且温度随磨 削速度的增大而升高
；(2)在航发钛合金叶片的磨削 中
，砂带磨损水平随磨削速度增大而升高
，与仿真中 磨削速度对摩擦接触点温度的影响法规类似
，批注温 度是影响金刚石砂带磨损的沉要成分
；(3) Ml0/20 金刚石砂带的磨损大局为磨粒损耗和磨粒脱落
，同时 磨削过程的磨屑粘连加剧了金刚石砂带的磨损
；(4) 经M10/20金刚石砂带磨削后的航发钛合金叶片型 面精度高
，进排气边被磨削为优良的圆弧过渡并 且处于±0.05mm的公差带内,型面粗糙度Ra在 0.4μm以下
。

4、球形固结磨料磨头焉癀

作为航空发起机涡轮叶片的重要资料之一, TiG钛合金拥有良好的综合力学机能
，同时密度低、耐高温侵蚀
。但是TiC4钛合金难切削、导热系数 低、弹性模量低
，在传统加工中
，容易出现加工变形、 刀具损耗快、工件表表烧伤等问题［10］
。

目前,TiC,钛合金资料加工的重要方式是磨削、 铳削等［11］,固结磨料研磨通过磨粒漏出结合剂层的 部位与工件产朝气械作用
，对工件资料产生塑性或类 塑性去除
，能够显著降低资料表表及亚表表危险
，同 时
，由于加工中磨粒硬度高
，切削应力幼
，可有效解决 TiC,,钛合金难切削、工件表表易烧伤问题
。针对 TiG钛合金难切削、表表易烧伤的问题
，王健杰等8 提出球形固结磨料磨头焉癀的加工步骤
，通过一系列 试验钻研
，得到以下结论：（1）研磨时的资料去除率以 及工件表表粗糙度Ra值都随磨料粒径的增大而增 大
，选取20?30“m碳化硅作为球形磨头磨料
，能够 获得最佳的资料去除率以及较好的表表质量
，此时材 料去除率为6. 7mg/min,表表粗糙度Ra值为0. 876“m
。（2）随着磨头转速增大
，资料去除率及工件 表表粗糙度值增大
；随着研磨夹角增大
，资料去除率 及工件表表粗糙度值逐步减

；随着研磨功夫的延 长
，资料去除率先增大后减幼
，工件表表粗糙度值逐 渐减幼
。（3）单点固结磨料研磨时优化后的参数组合 为：磨头转速200（）r/min,研磨夹角30
。
，研磨功夫 10s,在此工艺参数下
，研磨时的资料去除率达到22.2mg/min,工件表表粗糙度Ra值达到0. 700μm
。

5、磨削砂轮

分歧于切削
，磨削依附多多磨刃的微切削作用去除资料
，工件资料在磨粒的挤压和切削等作用下变形 较为剧烈
，导致磨削表表往往存在较为严沉的鱼鳞状 涂覆等景象
。提高磨削速度可通过降低单颗粒切厚 显著改善这一问题
。在通常磨削前提下
，由于磨削温 度较高
，磨削后工件表层多为残存拉应力
。

在通常磨猜中
，SiC磨料与钛合金的亲和性较 低
，因而其磨削成效优于刚玉磨料
。若选取刚玉磨料 磨削钛合金
，为预防砂轮表表产生大规模的资料粘 附
，需将磨削速度节造在约10m/s
。在现有磨具技术水平下
，通常砂轮磨削钛合金时砂轮磨损速度较快, 例如选取SiC砂轮在通常磨削前提下加工钛合金的 磨削比仅约为1,选用超硬资料砂轮时则提升几十甚 至上百倍
。

此表
，相对于通常磨料
，超硬资料的导热能力显 著加强
，因而能够获得较高的资料去除率
。另一方 面
，选取超硬资料砂轮磨削钛合金时能够预防频仍地 建整砂轮
，进一步提高磨削加工效能
。即便如此
，在工程实际中仍多选取通常砂轮加工钛合金
，造约超硬 资料砂轮宽泛利用的原因重要有：（1）砂轮价值昂贵, 导致加工成本显著高于用通常磨料砂轮磨削的成本
；（2）砂轮建整难度大
。因而
，后续钻研可沉点关注超 硬砂轮的造备与建整技术
。

磨削高温是抑造体钛合金磨削加工效能的沉要 原因
。对此钻研人员在开发新型磨具和改善冷却方 式等方面进行了一系列钻研
，例如：超硬磨料钎焊技 术与磨粒有序排布技术结合
，开发出磨粒有序排布cBN砂轮
。该砂轮磨粒出露高
，可提供充足的容屑 空间
，从而削减磨削从前中砂轮与工件之间的摩擦
。 在改善冷却方面
，重要有热管砂轮技术、低温冷风技 术和径向水射流技术等
。

6、分歧cBN砂轮加工技术

PTMCs是一种向钛合金资料内增长了 TiC和 （或）TB硬质加强相的复合伙料
，这些加强相拥有更 好和更不变的热力学机能
，成为比通常钛合金机能更 加优异的高强、耐热、轻质资料［1214］
。此表
，PTMCs 因其更低的密度和优异的力学机能
，有望代替部门在 500 C?850 C环境中使用的镍基的高温合金零部 件
，并使其减沉25%?30%
。因而,PTMCs有望成 为高推沉比发起机的候选资料
，在航空航天领域的应 用远景辽阔
。

与切削加工相比
，现代磨削正朝着高精度、高效 率的方向发展［15］,以高速磨削为代表的高效精密磨 削技术在航空航天零部件造作过程中的利用也越来 越宽泛
。为了可能更好地阐扬高速磨削在PTMCs 高效、精密加工方面的优势
，李征等［6］选取3种CBN 砂轮进行高速磨削试验,CBN砂轮别离为钎焊砂轮、 电镀砂轮和陶瓷砂轮
。试验了局批注：（1）钎焊砂轮 能够获得最低表表粗糙度的磨削表表
，表表粗糙度为 0. 60-0. 77 “m,磨削表表纹理陆续且光滑
，相对陶 瓷和电镀砂轮
，钎焊砂轮在PTMCs高速磨削方面更 具优势
。（2）钻研磨削速度对磨削力的影响时发现, 无论是法向磨削力
，还是切向磨削力
，都随着磨削速 度的升高而减幼
。（3）在20 “m的前提下
，对分歧磨 削深度的影响
，3种砂轮磨削PTMCs时
，在磨削深 度增大的过程中
，磨削力都增大
。（4）在磨削速度 120 m/s、磨削深度20 “m前提下
，3种砂轮磨削PTMCs 的磨削力都随工件进给速度的升高而逐步增 大
。（5）随着磨削用量的增大
，3种砂轮磨削PTMCs 的磨削温度显著增高
。（6）加大磨削速度
，使钎焊砂轮 和电镀砂轮磨削PTMCs的表表粗糙度减幼
。陶瓷砂

轮磨削表表粗糙度则是先降低后升高
。总的来说
，3 种砂轮磨削PTMCs时
，钎焊砂轮能够获得表表粗糙度 最低的
，磨削表表表表粗糙度为0. 60?0. 77 “m
。

7、切削刀具

钛基复合伙料是以钛合金为基体
，并在其中增长 碳化钛、硼化钛、氧化铝、氮化铝等颗
；蛘呗叫宋 加强相的金属基复合伙料[17],与钛合金基体相比
，钛 基复合伙料拥有沉量轻、比强度高、抗氧化性好、耐高 温、耐磨、抗蠕变、抗辐射等凸起利益
。相比传统钛合 金
，钛基复合伙料可能满足复杂环境下的特殊要求, 在航空航天、电子信息、半导体照明和交通运输等领 域拥有优良的发展远景
。

钛基复合伙料是一种典型的难加工资料
，切削高 温等引起的刀具急剧磨损是钛合金切削过程存在的 一个重要问题
，加工钛合金时
，涂层硬质合金刀具和 PCD刀具显示出优异的切削机能
，尤以PCD刀具为 最佳
，PcBN次之
，TiC基硬质合金刀具和陶瓷刀具 因耐用度低等原因被以为不合用于钛合金切削加工
。 PCD刀具与钛合金切削的高匹配性重要源自其优良 的导热性和极高的硬度
。金刚石的导热系数为硬质合 金的数倍
，更多切削热可通过刀具传出切削区
，极高的 硬度则保障了刀具的耐磨性
。选取PCD刀具切削低 钛合金刀具的耐用度可达硬质合金刀具的数十倍
。

其次
，钛合金其中的加强相拥有超高的硬度、强 度以及优良的高温机能
，在切削加工时
，加强颗
； 对刀具产生严沉的犁耕、刻划等作用
，不仅会大大降 低刀具的使用寿命
，并且会影响工件的表表加工质 量
，导致加工成本显著提高
。因而
，实现钛基复合材 料的高速、高质量加工成为此类金属基复合伙料利用 的关键
。

针对此问题
，国内表学者发展了一系列的钻研, ARMESH等使用PCD刀具对增长加强相体积分 数为10%~12% TiC进行分歧切削用量的刀具磨损 钻研批注
，当切削速度为80 m/min,进给速度为0. 35 mm/r,切深为0.2 mm时,PCD刀具的耐久度仅 为2 min
；当切削速度为60 m/min,进给速度为0. 26 mm/r,切深为0. 2 mm时,PCD刀具的耐久度为 8min
。GE等却选取硬质合金刀具和PCD刀具在切 削速度为1 00 m/s,进给速度为0. 08 mm/r,切深为 0. 5 mm时
，对加强颗粒体积分数为10%的(TiCp + TiBw)/TiC,颗粒加强钛基复合伙料进行高速车削 加工钻研
，了局批注
，由于切削温度较高
，硬质合金刀 具中的WC与工件中的Ti元素剧烈反映导致硬质合金刀具使用寿命不及1 min,而PCD刀具的使用寿 命仅有2 min
。濮建飞等⑵?对分歧颗粒含量分歧的 钛基复合伙料发展高速切削试验
，对比2种分歧加强 相体积分数迪胙基复合伙料在分歧切削速度下的刀 具磨损情况
，了局批注
，加强相体积分数对PCD刀具 耐用杜仔显著影响
，体积分数越高
，刀具磨损越严沉, 刀具耐用度越低
；加强相种类对刀具的耐用度也有明 显影响
，加强相TiBw对刀具耐用度的影响要大于增 强相TiCp
。PCD刀具在切削分歧钛基复合伙料时 的刀具磨损状态类似
，重要为前导和后导的磨 损
，且伴有崩刃及微裂纹景象产生
，其重要磨损机理 是磨粒磨损以及黏结磨损
，且加强相的体积分数越高
，刀具黏结磨损越显著
。

鉴于以上问题
，未来可从开发钛合金切削专用的 高机能刀具、刀具造备(焊接、切割和刃磨等)和切削工艺优选(切削用量的选择和切削液的供给等)等方 面动手
，降低PCD刀具切削钛合金的成本
，进一步扩 大其利用领域
。

参考文件：

[1]梁巧云
，单坤
，等.航发钛合金叶片金刚石砂带磨削的磨粒磨损 钻研[].金刚石与磨料磨具工程,2020(4):59-64 .

[2] XIAO) G J . HUANG Y. Micro-stiffener surface characteristicswith belt polishing for titanium alloys[J]. International journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019 , 100 (1-4 )： 349- 359 .

[3]黄云
，黄智.砂带磨削的发展及关键技术[J].中国机械工程, 2007(18):124-128 .

[4] ZOU L, HUANG Y, ZHANG G, et al. Feasibility study of a flexible grinding method for precision machining of the TiAl based alloy[J]. Material and Manufacturing Processes, 2019,34 (10):1160-1168.

[5]肖乐银
，王进保
，周卫宁
，等.金刚石电镀砂带的特点及利用[J]. 超硬资料工程.012,24(2):40-43.

[6]LI G X, YI S, SUN S J , et al. Wear mechanisms and performance of abrasively ground polycrystalline diamond tools of different diamond grains in machining titanium alloy [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2017, 29：320-331..

[7]ZOU L. , YIN J. , HUANG Y, et al. Essential causes for tool wear of single crystal diamond in ultra-precision cutting of fer- rousmetals[J].DIAMOND AND RELATED MATERIALS, 2018,86:29-40.

[8]王健杰
，李军
，等.球形固结磨料磨头焉癀TC4钛合金的工艺探 索[].金刚石与磨料磨具工程.019,3:23-28 .

[9]包旧铨
，徐恩恵.TiG钛合金叶片的抛光[].航空造作技术, 1981,11:9-10 .

[10]盛文娟.钛合金叶片型面电解加工工艺钻研:J].电加工与模 具,011,：54-57 .

[11]王辉
，吴宝海
，等.新一代商用航空发起机叶片的先进加工技术 :J].航空造作技术,014,64(20)：26-31 .

[12]FANG Y J . ZHANG W C,et al. Room-temperature and hightemperature tensile mechanical of TA15 titanium alloy and TiB whisker-reinforced TA15 matrix composites fabricated by vacuum hot-pressing sintering JJ] . Materials.2017.10(4) ：124 .

[13]MORSIK.PATEL VV. Processing and properties of titanium - titanium boride(TiBw)matrix composites-A review[J] Journal of Materials Science .2007.42(60):2037-2047 .

[14]KLOCKE E F. SOO S L, et al. Abrasive machining of advanced aerospace alloy and composites[J] . CIRP Annals-Man- ufacturing Technology .2015.64(2) ：581-604 .

[15]LI Z, DING W F,LIU C J , et al. Prediction of grinding temperature of PIMCs based on the varied coefficients of friction in conventional-speed and high-speed surface grinding [J] International journal of Advanced Manufacturing Technology .2017 , 90：2335-2344.

[16]李征
，刘莹
，等.分歧CBN砂轮高速加工PTMCs的磨削机能对 比:J] ?金刚石与磨料磨具工程,2020,5:5-10.

[17]KIM (：,(：HO K. et al Mechanical performance of particulate- reinforced Al metal-matrix composites ( MMCs) and metal-matrix nano-composites (MMNCs)[J] Journal of Materials Science 2017,52(23):13319-13349.

[18]韩远飞
，孙相龙
，等.颗粒加强钛基复合伙料先进加工技术钻研 与进展复合伙料学报,017,4(8):1625-1635.

[19]ARAMESHM, ATTIA MH, et al. Estimating the remaining useful tool life worn tools under different cutting parameters: A survival life analysis during turning of titanium metal matrix composites ( Ti-MMCs) [ J ]. CIRP journal of Manufacturing Science and Technology,2016 , 12 ： 35-43.

[20] GE Y F.XU J H,FU Y C. High-speed turning of titanium matrix composites with PCD and carbide to()ls[J] Materials Sci- enceForum,2013,770：39-44.

[21]濮建飞
，徐九华
，等? PCD刀具车削钛基复合伙料的刀具磨损 钻研金刚石与磨料磨具工程,020,：11-16.