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磨削钛及钛合金的砂轮选择
&&来源:《磨料磨具》杂志&&日期:
　　钛及钛合金分为&钛合金、&钛合金和&+&钛合金三类。
　　钛及钛合金其有优良的物理机械特性、比重小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、超记忆、无磁性、弹性模量低、生物相容性好等，由于钛及钛合金具有一系列优良的物理机械性能，因此在航天、航空、航海、石油化工、造船、汽车、医疗等工业领域得到了广泛的应用。但是，钛及钛合金其中某一些物理机械性能也给磨削加工带来困难，钛合金磨削温度高、磨削力大，而且砂轮磨损严重，易产生粘结，粘结是磨削钛合金的主要物理现象，对磨削过程有显着的影响。
　　二、钛及钛合金的物理机械性能对磨削加工影响
　　根据钛及钛合金与钢等金属材料相比，具有耐热、耐腐、抗拉强度高等优异的特性，由于这些特性对磨削加工反而容易使磨轮寿命缩短，给磨削带来了困难。下面就钛材料所具有物理机械特性对磨削加工的影响大致阐述如下：
　　1、高熔点、高强度、比强度大
　　钛的熔点为1668℃，沸点为3400℃，稍高于铁、镍，因此，钛作为轻型耐热材料具有优良的基础。耐热性高其工作温度可达500℃下长期工作，新型钛合金其长期工作温度还要高，在300℃~350℃温度下钛合金的强度比铝合金高10倍。
　　比强度高，常用的&+&钛合金的强度&b=1.03~1.2GPa（103~120kg f/mm?），比重r=0.44Mpa,比强度&b/r=23~27,而合金钢的&b=1.3~1.6 Gpa,比重r=0.79Mpa,比强度&b/r=16~20.钛及钛合金抗拉强度可超过150kg f/mm?,以上对磨削和锯切施加很大的压力，使砂轮磨损大。
　　2、导热系数小
　　钛的导热系数为0.036cal/（cm&s&℃），各种钛合金的导热系数更低，如TC4钛合金导热系数为0.019cal/（cm&s&℃）；导热性能差，在磨削加工时产生高温难以向材料内传导，导致其磨削区温度增高，最容易产生磨削过热、产生磨削过热时，使表面粗糙度变大，而且钛合金表面产生烧伤、裂纹、变性等缺陷现象，严重时也产生开裂、龟甲状裂纹。磨削区高温还促进了材料的活性，进一步加强磨料的化学磨损，导致钛屑在切削刃上的严重粘附，破坏了砂轮的耐用度，因为钛合金是一种可磨性极差金属材料。使用普通磨料磨具加工时，磨削比均十分低，只有采取有效措施，才能保证获得良好的磨削效果。
　　3、弹性模量低
　　钛的弹性模量为11000kg/mm?,约为钢的1/2,钛镍记忆合金弹性模量才为56kg/ mm?,但钛的比重小，可通增加结材料的断面尺寸来补充其刚性不足。由于加工磨削时回弹性大，震动容易产生弹性变性。
　　4、钛的化学性能
　　因为钛及钛合金中有氧、氢、氮、碳，有时还包括硅、铁等杂质元素，这些元素进行了强烈反应，以间隙式存在于晶格中，可使钛及钛合金强度提高、塑形下降、甚至使断裂韧性、低温韧性、疲劳强度、耐蚀性、冷成型和可焊性变坏。其中氧、氢、氮、碳等影响显着。
　　钛及钛合金在高温中化学活性极高，在一定磨削温度条件下，钛能吸收大气的氧、氢、氮等起化合作用。钛在500℃以上开始强烈吸收氧、氢、氮等元素，具有强烈吸收气体的能力，这些元素与钛合金作用以后，形成氧化钛、氢化钛和氮化钛的保护薄膜，使表面层硬化，形成了硬脆表层，深度可达0.1~0.15mm,硬化成度为20~30%,硬化变脆，降低了弹性，加大了加工硬化程度，因钛的化学活性很高，磨削钛合金时磨屑粘附在磨粒上。产生磨粒磨平、磨削堵塞砂轮，易于造成磨削过热。在磨削钛时不得不降低磨削条件。正确选择磨料，正确选择使用砂轮是非常重要的。
　　三、磨削钛及钛合金砂轮的选择
　　由钛及钛合金物理机械特性和磨削加工的特点，要合理的选择磨料，确定合适的磨削条件，砂轮要合理的选择和正确的使用，将直接影响磨削加工的效果。
　　要求磨削砂轮粘附小、磨损小，不易堵塞砂轮的特性选择，主要包括磨料、粒度，结合剂硬度组织以及形状尺寸。
　　国家标准GB/T规定砂轮上形状尺寸、磨料的种类、粒度、硬度、组织、结合剂、最高使用线速度。如下图所示：
　　1、砂轮结构与性能
　　普通砂轮是由三个基本要素组成，即磨料、结合剂和气孔。如图：
　　其体积关系如下：
　　V砂轮=V磨料+V结合剂+V气孔
　　磨料的作用是磨削被加工件材料形成符合要求的表面。
　　结合剂的作用是把磨料粘结到一起，使其成为具有一定形状和程度的砂轮，使磨粒在磨削过程中保持稳定的运动轨迹，并有一定程度的自锐能力。
　　气孔是在磨削过程中主要作用是排屑和冷却并兼有润滑作用。
　　超硬砂轮是指用超硬磨料如金刚石和立方氮化硼制成砂轮。
　　由于超硬磨料是一种价格昂贵的磨料和普通砂轮在结构上有很大差别，超硬砂轮一般由三部分组织。见图2a
　　A为磨料层；B为过渡层；C为基体。
　　A磨料层（也称工作层）。由超硬磨料（金刚石和立方氮化硼）、结合剂、填料等组成。超磨削作用。
　　B过渡层。由结合剂和填料组成，不含超硬磨料它是连接工作层A和基体C的过渡部分，其作用是保证磨削层的安全使用。
　　C基体。起支撑磨削层和过渡层的作用，并使于精确安装，对基体的要求是不影响其刚性和强度的条件下愈轻愈好。
　　超硬砂轮的特性标记主要有磨料粒度、结合剂、浓度及形状、尺寸。与普通砂轮不同是没有硬度和组织指标，是浓度指标。
　　根据国家标准GB/T4规定的浓度表示方法为磨削层所含苞欲放磨料为0.88g/cm?,定为100%,浓度磨料所占体积为25%.
　　超硬材料砂轮。
　　2、普通砂轮的磨料种类的选择
　　磨削钛及钛合金选用磨料也很重要，砂轮的磨料是磨削加工过程中起切削作用的主体，包它直接担负切削工作，是砂轮产生磨削作用的根本因素。磨料必须具备很高的硬度、耐热性，热稳定性和化学稳定性外，还应当有一定的韧性，应能承受一定的磨削力。
　　普通磨料包括刚玉系列和两大系列各种磨料品种，我国主要的磨料品种及代号，国家标准GB/T规定如图所示：
　　绿化碳化硅（GC）类似硅石，石油焦碳和食盐为原料经高温冶炼制成的含SiC砂于95~99%呈绿色，绿化硅磨料更加硬而脆，磨料具有更锋锐的切削刃，最适合用钛合金磨削。
　　刚玉类系列磨料，目前应用生产砂轮最广泛最多的一种磨料。由于它具有高的韧性和一定的硬度，能耐高温、破碎后有锋利的刃口，故磨削效率高，适合磨削抗拉强度较高的材料。
　　刚玉类的主要成分是氧化铝（Al2O3），用在磨削钛合金最常用是棕刚玉和白刚玉，近几年来新品种单晶刚玉、微晶刚玉、铬刚玉、锆刚玉等几种常用的刚玉的硬度，单颗粒抗压强度和冲击韧性见表1.
　　棕刚玉（A）是以铝矾土、无烟煤和铁屑为主要原料经高温冶炼而制成的，含Al2O392.5~97%,呈棕褐色。能承受较大的压力，抗拉强度较强，有一定的硬度且颗粒锋利，因此棕刚玉（A）适于磨削抗拉强度较大的材料。价格便宜，钛合金锻造件粗磨也可使用，砂轮和棕刚玉树脂切割砂轮。
　　棕刚玉特点是棕褐色，硬度高、韧性大适合普通钢、钛及钛合金的磨削、自由磨削、粗磨削。
　　白刚玉特点是白色与棕刚玉相比硬度高、韧性稍低，适合淬火钢、合金钢、高碳钢、钛及钛合金等材料的磨削，也可用于螺纹、齿轮及薄壁零件的加工。
　　微晶刚玉特点是由微小晶体构成，颜色与棕刚玉相似，强度高，适用于钛合金和钢材的重磨削、成型磨削、切入磨削，也可适用不锈钢的磨前加工。
　　铬刚玉特点玫瑰红色，比白刚玉韧性高，棱角保持好。适用于成型磨削、刀具、量具、螺纹工件，对钛及钛合金精密磨削和各种高光洁度的表面加工。
　　绿碳化硅特点是呈绿色，硬度仅次于碳化硅和金刚玉，比黑碳化硅硬度和脆性略高。适用于钛及钛合金和种种高硬材料的磨削和研磨加工。
　　超硬材料磨料是人造金刚石立方氮化硼的热稳定性好、硬度高、耐磨性好、导热系数大，因此磨削钛合金的效率较高，但价格昂贵。当砂轮速度为24m/s时，立方氮化硼砂轮磨削钛合金的磨削比可达200~220.磨削钛合金的效果优于立方氮化硼砂轮。
　　由于钛合金和磨削特点可知，刚玉磨料中的铝元素有向钛扩散的趋势，且Al2O3和钛合金表面Ti2O3,晶体结构相同，点阵参数相近，钛通过其氧化物和刚玉有很好的亲合力。同时Ti2O3在刚玉中还可形成固溶体Al2O3、Ti2O3,而且在水溶性磨削液的条件下，钛还直到触媒作用。使水中的H与Al2O3作用形成Al（OH），会大大削弱磨料的强度，因此磨削钛合金时不宜采用白刚玉（WA）和锆刚玉（ZA）为好，且一定要采取低速10m/s左右磨削，才能取得一定的效果。比较适合的磨料是绿碳化硅和铈化硅（CC），用这两种磨料制成砂轮，磨削钛合金时粘结少，砂轮不易堵塞。用绿碳化硅与微晶刚玉、棕刚玉、白刚玉、锆刚玉等配制的混合磨料砂轮磨削钛合金效果更好。
　　4、结合剂的选择
　　结合剂的作用是将磨粒粘结具有一定的几何形状的磨具，结合剂本身的性能影响它与磨粒的反应能力和粘结强度。
　　磨削钛及钛合金砂轮可采用陶瓷结合剂（V），陶瓷结合剂颗粒能力强，结合剂的热稳定性与化学稳定性能好，它防水、耐热和抗腐蚀性能都很高，能很好地保持切削性能，磨损小，使用寿命长，因此广泛用于成型磨削，用于外园、平面内园、无心磨、超精磨，并具有多孔性，不易堵塞，能获得较高的生产率。其缺点是比较脆，不能经受较大的冲击和弯曲。
　　用于切断、粗磨、茺磨钛合金，也可采用树脂结合剂（B）砂轮，用它制做的砂轮强度高，富有弹性，耐冲击性好。但热稳定性较差，抗碱性差，在高温下易烧毁，就会软化失去强度，因此磨削时必须充分冷却。
　　5、砂轮的颗度选择
　　由于钛合金磨削粘结严重，粒度几何尺寸的大小是主要特性指标之一。选择磨料的粒度主要考虑被加工的表面和加工效率，经常采用F36~F80粒度号，在此粒度号范围内，磨削温度、磨削力、磨削比等无大的差别。
　　6、砂轮的硬度选择
　　在磨削钛及钛合金要依据本身的机械性能因为导热系数低，往往容易产生粘附、烧伤、裂纹等现象。砂轮硬度与磨料本身无关，其基本原则是保证砂轮在磨削过程中适当的自锐性能，磨粒自砂轮上脱落的难易程度，避免砂轮过大的磨损，产生过高的磨削温度。
　　砂轮硬度对磨剂、磨削热、振动、加工精度、耐用度、磨削效率等都有非常重要的影响。
　　生产实践证明，磨削钛及钛合金的砂轮硬功夫度通常采用为J或K较好。用较软的砂轮磨削钛合金磨削温度和磨削力均较硬砂轮低，这样减少了磨粒与磨屑粘附的可能性，减少磨削热。
　　7、砂轮的组织选择
　　选择砂轮组织主要应当考虑钛合金材料的特性及磨削方式，砂轮组织越密，工作砂粒数增加，砂粒与砂粒之间距离过小，因而磨损小，数量多，砂轮容易堵塞，切削情况变坏。磨削钛合金薄板、薄壁管等零件，易热变形的工件，亦应选择松组织的砂轮。进给磨削应选用松组织大气孔砂轮。砂轮与工件接触面积大时应选用松组织砂轮。组织的划分是以砂轮内所含磨粒率的变化来分级，组织号以数字表示，共分为15级，从0~14数字依次递增，磨粒度递减，组织则紧到松。高速重负荷磨削时，为了保证砂轮有足够的强度，采用紧密组织砂轮。钛及钛合金的砂轮组织通常可采用中等偏疏松的砂轮，组织号为6~8.
　　四、结语
　　从上述可知，磨削钛及钛合金时，砂轮的合理选择和正确使用，将直接影响磨削加工的效果。(文/周友诚、郭红宝钛集团有限公司)
　　（本文转载自《磨料磨具》第22期杂志，更多精彩尽在《磨料磨具》杂志。）严肃警示：本文系《磨料磨具》杂志原创作品，如媒体及个人执意转载，请尊重他人的知识产权和劳动成果，必须标明文章出处&《磨料磨具》杂志&及文章作者！！！对于那些肆意违反商业、职业道德，破坏公平竞争环境，擅自霸占删改我方文章信息、图片资料等劳动成果，或将其用作直接盈利目的的媒体及个人，我们将依法追究其侵权责任！免费领取《磨料磨具》杂志请致电：9/&&& QQ:、
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