正交试验法优化钛合金磨削参数

吴东*

（中国空空导弹研究院，河南洛阳，471009）

正交试验法优化钛合金磨削参数

吴东*

（中国空空导弹研究院，河南洛阳，471009）

本文运用正交试验法，从材料去除率和表面粗糙度两个维度综合分析不同磨削条件下对TC4钛合金磨削质量的影响，从而得出磨削TC4钛合金的优化参数。

钛合金TC4 磨削参数 正交试验

引言

钛合金比强度高，耐热性好，有优良的抗蚀性以及良好的机械、力学性能，被誉为“未来的金属”，获得广泛的应用，尤其在制造飞机、火箭、导弹等产品时成为不可缺少的材料。钛合金磨削加工具有以下特点：磨削比低，砂轮粘附严重；磨削力大，磨削温度高；化学活性高，表面易生成硬脆性变质层，降低了塑性，一方面使得切屑呈现挤裂屑，另一方面使得加工表面层产生局部应力集中，降低了疲劳强度；磨削质量不易控制，磨削钛合金时，产生的拉应力以及磨削区 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，表面粗糙度很难保证。

1 影响磨削效果的因素分析

1.1 影响磨削效果的几个主要因素

1）砂轮的合理选择和正确使用，直接影响磨削加工的效果，选择砂轮考虑的要素有：磨料、粒度、硬度、结合剂、组织。磨料常用有刚玉类、碳化硅类，金刚石类和立方氮化硼（CBN）等，磨料粒度的大小对加工表面粗糙度有直接影响，一般趋势是粒度越高表面粗糙度越好；砂轮硬度高，磨料不易脱落，容易保证砂轮形状；结合剂的性能影响砂轮的强度、耐腐蚀性、耐冲击性及耐热性等；砂轮组织的疏密影响磨削加工的生产效率和表面质量。

2）磨削参数的设定，磨削参数包括砂轮转速、切削深度、进给速度以及磨削余量的分配等几个方面，砂轮转速、切削深度、进给速度三个参数根据加工要求合理选择。

3）磨削液的使用，磨削液具有的润滑性能、冷却性能、清洗性能和防锈性能可以有效提高磨削加工的效率和质量。

2 磨削试验设计

2.1 试验设备

试验设备包括：数控坐标磨床 S50CNC311、粗糙度测量仪、影像仪以及砂轮。数控坐标磨床S50CNC311如图1所示，其主要参数如表1所示；粗糙度测量仪如图2所示；影像仪用于观察零件表面情况，可放大120倍并形成清晰图像，仪器如图3所示：

表1 试验设备的主要参数

图1 坐标磨床S50CNC311

图2 粗糙度测量仪

图3 影像仪

试验选取三种不同砂轮如图4所示，其参数如表2所示：

图4 砂轮

表2 三种不同砂轮的参数

2.2 试验参数设计

查阅钛合金与不锈钢磨削的资料，结合分厂现有资源和加工能力，根据不同砂轮设计磨削参数如表3-表5所示：

表3 白刚玉砂轮设计参数

表4 绿碳化硅砂轮设计参数

表5 CBN砂轮磨削钛合金TC4设计参数

2.3 试验用材料和试样

试验选用TC4钛合金，综合考虑零件定位装夹、砂轮参数、磨削试验参数和试验数据量的要求，设计磨削工序前零件尺寸为30x20x20mm，粗糙度要求Ra1.6，除上下端面外，可磨削8个面，零件形状如图5、图6所示：

图5 零件形状图

图6 零件形状图

2.4 试验方案设计

以表3-表5所示试验参数进行全因子试验，一组参数一类砂轮一种材料需要3x3x3=27次试验，则所有试验参数完成需要共27x3x2=162次磨削，加工周期长，经过分析，使用表6所示试验方案，以进给速度f、切削深度ap、转速Vc作为三个因子，将表3-表5数据分类按数字所示带入进行试验，只需完成9x3x2=54次磨削即可完成，加工时间减少三分之二。试验以插磨方式进行，为方便观察磨削过程的一些变化，采用干磨的方式，不加切削液。

表6 试验方案

3 磨削试验数据及分析

3.1 磨削试验数据

将表3-表5所设计参数按序号数字带入表6完成试验。粗糙度Ra使用粗糙度测量仪进行测量，材料去除率的计算按公式n=V（体积）/s（时间）=B·ap·f计算（B为切削区域宽度取12.5mm），所得试验数据如表8-表11所示：

表7 白刚玉砂轮所得试验数据

表8 绿碳化硅砂轮所得试验数据

表9 CBN（立方氮化硼）所得试验数据

3.2 磨削试验数据处理

在磨削试验数据处理中，以材料去除率n=5得80分为标准，其他按比例计算，以粗糙度Ra=0.2得20分每递加减0.1加减两分进行计算，数据处理结果如表10-表12所示：

表10 白刚玉砂轮磨削TC4

2 10 0.01 20000 1.25 0.4 20 16 363 10 0.02 25000 2.5 0.4 40 16 564 15 0.005 20000 0.938 0.4 15 16 315 15 0.01 25000 1.875 0.4 30 16 466 15 0.02 15000 3.75 0.4 60 16 767 20 0.005 25000 1.25 0.4 20 16 368 20 0.01 15000 2.5 0.3 40 18 589 20 0.02 20000 5 0.3 80 18 98材料去除率 粗糙度Ⅰ 1.45833 0.9377 2.29167Ⅱ 2.18767 1.875 2.396Ⅲ 2.91667 3.75 1.875 R 1.45833 2.8123 0.521Ⅰ 0.4 0.4 0.36667Ⅱ 0.4 0.3667 0.36667Ⅲ 0.33333 0.3667 0.4 R 0.06667 0.0333 0.03333综合得分Ⅰ 39.3333 31 53.3333Ⅱ 51 46.667 55Ⅲ 64 76.667 46 R 24.6667 45.667 9

表11 绿碳化硅砂轮磨削TC4

表12 CBN砂轮磨削TC4

6 80 0.03 15000 30 0.8 480 8 4887 50 0.01 25000 6.25 0.6 100 12 1128 50 0.02 15000 12.5 0.7 200 10 2109 50 0.03 20000 18.75 0.8 300 8 308材料去除率 粗糙度Ⅰ 5 6.25 15Ⅱ 20 12.5 11.25Ⅲ 12.5 18.75 11.25 R 15 12.5 3.75Ⅰ 0.433 0.7 0.7Ⅱ 0.7 0.633 0.6Ⅲ 0.867 0.667 0.7 R 0.433 0.067 0.1综合得分Ⅰ 95.33 110 250.7Ⅱ 326.7 211.3 189.3Ⅲ 210 310.7 192 R 231.3 200.7 58.67

3.3 钛合金TC4磨削试验数据分析

以表11、表12、表13数据作为数据源，分析钛合金TC4在使用不同砂轮磨削过程中，进给速度f、切削深度ap、转速Vc三个因素对材料去除率得分、粗糙度得分及综合得分的影响趋势，得到如图7、图8、图9所示折线图：

图7 对材料去除率的影响

分析图7所示折线图，三种不同砂轮磨削钛合金TC4时，对材料去除率影响趋势最大的是CBN砂轮，绿碳化硅砂轮稍好于白刚玉砂轮；材料去除率和进给速度、切削深度直接相关，图7三种砂轮均是这个趋势；使用白刚玉砂轮和绿碳化硅砂轮磨削钛合金 TC4时，转速对材料去除率影响不明显；CBN砂轮磨削钛合金TC4时，随着转速变高，材料去除率变低，其原因是CBN砂轮磨削钛合金 TC4时，转速变高，磨削温度随之增高，磨削力则下降，磨削力下降导致材料去除率下降。

分析图8所示折线图，磨削钛合金TC4时，随进给速度变大，使用CBN砂轮粗糙度变大趋势显著，使用绿碳化硅砂轮粗糙度基本无变化，使用白刚玉砂轮粗糙度呈下降趋势；随切削深度变大，使用CBN砂轮粗糙度变化趋势不明显，使用绿碳化硅砂轮在切深0-0.02mm范围内粗糙度先变大后变小，使用白刚玉砂轮呈缓慢下降趋势；随转速升高，使用CBN砂轮粗糙度均呈先下降后升高趋势，使用绿碳化硅砂轮粗糙度缓慢下降，使用白刚玉砂轮粗糙度缓慢上升。

图8 对粗糙度的影响

图9 对综合得分的影响

综合分析，使用CBN砂轮磨削钛合金TC4，粗磨削时可以选择比较大的进给速度和切削深度，砂轮转速选较低值，优选参数为进给速度50mm/min、切削深度0.03mm、转速15000r/min。精磨削时，可以使用小的进给速度、大的切削深度和合适的转速，优选参数为进给速度20mm/min、切削深度0.03mm、转速25000r/min；使用绿碳化硅砂轮磨削TC4优选参数为进给速度25mm/min、切削深度0.02mm、转速20000r/min；使用白刚玉砂轮轮磨削 TC4优选参数为进给速度 15mm/min、切削深度0.02mm、转速20000r/min。

4 补充磨削试验

在使用CBN砂轮磨削钛合金TC4时，设计磨削参数值比较大，导致磨削后的表面质量不好，因此进行了补充磨削试验。在选用较小的加工参数后，表面质量可以很好保证，结果如表14所示：

表14 补充磨削试验结果

5 磨削照片比较

磨削完成后，磨削表面均使用影像仪放大40倍进行拍照记录，方便进行对比观察与分析。钛合金 TC4磨削后的照片如图10所示：

图10 钛合金TC4磨削后的照片

6 结束语

综合以上分析，可得出如下结论：

磨削钛合金TC4优选CBN砂轮，次选绿碳化硅砂轮和白刚玉砂轮。

使用CBN砂轮磨削钛合金TC4，粗磨削时可以选择比较大的进给速度和切削深度，砂轮转速选较低值，优选参数为进给速度 50mm/min、切削深度 0.03mm、转速15000r/min；精磨削时，可以使用小的进给速度、大的切削深度和合适的转速，优选参数为进给速度20mm/min、切削深度0.03mm、转速25000r/min；使用绿碳化硅砂轮磨削 TC4优选参数为进给速度 25mm/min、切削深度0.02mm、转速 20000r/min；使用白刚玉砂轮轮磨削 TC4优选参数为进给速度 15mm/min、切削深度 0.02mm、转速20000r/min。

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Optimization of Grinding Parameters of Titanium Alloy By Orthogonal Test

WU Dong*
（Chinese air to Air Missile Research Institute,Henan Luoyang,471009,China）

This paper uses orthogonal test method,the material removal rate and surface roughness of two comprehensive analysis dimensions under different grinding conditions on the grinding quality of titanium alloy TC4,optimized parameters so that the grinding of titanium alloy TC4.

titanium alloy TC4; grinding parameters; orthogonal test

TH1615

A

1672-9129(2017)04-0108-06

吴东.正交试验法优化钛合金磨削参数[J].数码设计,2017,6(4):108-113.

Cite：WU Dong.Optimization of Grinding Parameters of Titanium Alloy By Orthogonal Test[J].Peak Data Science,2017,6(4):108-113.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.028