基于弹性磨头抛光的钛合金气密面加工工艺改进

介绍一种抛光钛合金密封平面的工艺方法，采用车铣复合加工中心，利用多轴功能修磨定制聚氨酯发泡弹性磨头。通过工艺改进解决了粗磨和精抛光过程中存在的难点问题，有效提高了密封平面的加工质量，提升了产品的气密性能。

PART 1  序言

钛合金材料具有密度小、比强度高及耐蚀性好等一系列优点^[1]。为满足产品严格的耐蚀性要求，使用牌号为TC11的钛合金材料加工某气阀类零件。在气体密封部位选用平面密封的结构形式，如图1所示。凸台端面为气密面，要求表面粗糙度值Ra=0.8μm，高度（3.4±0.05）mm，要求尺寸关联两面之间平行度≤0.02mm。

图1　零件密封结构示意

PART 2  工艺难点

工艺改进前，产品气密性一直不佳。使用测漏液涂覆密封处，每间隔4~5s，经常出现不连续的气泡。拆解故障零件后，使用显微镜观测密封端面，可看到贯穿密封面、深度较浅的划痕及细微气蚀点。带划痕的密封面如图2所示。这些划痕及气蚀点破坏了零件表面，在气体高压区及低压区之间形成了细微的气体泄漏通道，造成产品气密功能失效。

图2　带划痕的密封面

要想去除这些加工缺陷，提高密封面的表面质量，必须采取研磨、抛光等光整加工方法。在此过程中需解决以下困难。

1）在磨削抛光时，钛合金易粘附砂轮或磨具，堵塞孔隙，难以保证较高的表面质量要求^[2]。

2）密封面具有较高的几何公差及尺寸公差精度要求。构成端面密封的各部件要求接触面平行，并且表面粗糙度需达到相关等级^[3]。如采用磨床粗磨后，在车床上再次使用砂带抛光的方法，不仅需考虑粗磨与抛光两次装夹造成的误差，而且需要克服人工抛光操作带来的加工误差。高精度砂带自动磨削可满足加工精度要求，但价格高昂。

PART 3  解决方案

3.1 设备

为立足现有条件解决上述问题，选择具备高精度车床主轴、车刀下刀塔、铣削主轴及多轴联动控制的车铣复合中心作为加工设备，利用其多轴加工优势，将粗磨及抛光工步一次装夹完成，避免两次装夹带来的加工误差。其较高的加工精度及多轴功能可实现磨头的在线修整，保证加工精度。

3.2 磨头

粗磨抛光钛合金需选择合适的加工工具。以发泡材料为基体的弹性磨头具备耐磨性好、多孔隙及容纳切屑能力强的特点，在加工钛合金时具备天然的优势。因绿碳化硅（GC）磨料与钛合金粘附较轻，磨削力小且磨削温度低^[4]，故选择绿碳化硅磨料发泡抛光轮作为抛光工具。绿碳化硅磨料弹性磨头及其夹持系统如图3所示，其中图3a所示为粗磨使用的150目磨头，图3b所示为抛光使用的300目磨头。

a）150目磨头

b）300目磨头

图3　绿碳化硅磨料弹性磨头及其夹持系统

为保证凸台严格的几何公差精度，要求使用铣削刀塔夹持磨头，控制车刀刀塔在线修整磨头端面。推荐使用PCD聚晶金刚石车刀，如条件允许，可使用单晶金刚石车刀或金刚石笔。修整后的磨头需满足无毛刺等多余物、表面平整连续及安装后轴向圆跳动量≤0.01mm等条件。

加工过程中，磨头会发生以下形式的磨损：磨头端面表面质量下降，出现环形轻微磨损痕迹；随着时间延长，磨损区域颜色不断加深，此时如不及时修整，磨损区域将产生环形凹陷。此时磨头的修磨精度将大大降低，且会在凸台边缘形成较大的倒圆，破坏尺寸精度及密封面形状，导致零件报废。在加工时需及时检查磨头形貌，禁止钝刀加工，及时修整磨头。弹性磨头磨损如图4所示。

a）修整后未使用的磨头

b）接近修磨点的磨头

c）未能及时修磨的磨头

图4　弹性磨头磨损示意

加工时需注意：应依据磨削量及磨削效率要求设置适合的刀具长度补偿值，保证磨头在加工过程中存在一定的弹性变形，提供可靠的磨削力。若弹性变形量过小，磨削力过小，则将造成加工效率低、车削加工痕迹无法去除及加工表面质量下降等问题；若弹性变形量过大，则将造成磨头与凸台边缘接触线局部变形过大，形成塌边等加工缺陷。经过多次工艺试验验证，确定弹性变形量为0.15～0.25mm。

3.3 磨削及抛光方法

粗磨时采取铣磨磨削的加工方法，以磨头端面抛光凸台端面。高速旋转的磨头沿凸台径向直线走刀，零件低速进给转动。粗磨可较高效率地去除加工缺陷。

精抛光时采用成形磨削的方法，以磨头端面抛光凸台端面。高速旋转的磨头沿凸台轴向运动进给，零件不转动。当刀具完成进给后，在零件端面停留3～5s。精抛光可有效提高气密面的表面质量。

查阅相关文献得知，磨头转速增大，材料去除率增大，工件表面粗糙度值减小^[5]。这与工艺试验现象相符合。但是由于同时磨头的磨损速度加快，因此主轴转速应当适中。

粗磨时磨头转速n=1500r/min，进给速度v_f=20mm/min，零件转速n₁=200r/min，进给量为0.05mm/行程。精抛光时磨头转速n=3000r/min，进给速度v_f=10mm/min。

检验时需注意：使用显微放大镜观测表面，零件加工表面需存在均匀的同心圆状刀纹，且无沿径向划痕、烧伤及裂纹等加工缺陷。

PART 4  改进措施的验证

经过上述工艺改进，对零件进行加工工艺验证。需注意：加工前应保证切削液经过滤后无切屑；完成加工后，切削液需及时更换，防止磨料进入机床导轨等处，否则长期使用会损伤机床精度。

采用如下两种方法进行加工验证。

1）方法1：在粗、精抛光时均选择成形磨削加工。

2）方法2：在粗抛光时选择铣磨磨削，精抛光时选择成形磨削加工。

两者均设置相同的加工参数。方法1加工效果如图5所示，加工表面存在间隔不等的深色沟壑，为未去除的车刀加工痕迹，其表面质量不佳。方法2加工效果如图6所示，加工纹理细腻均匀，无车削加工痕迹及划痕。

图5　方法1加工效果

图6　方法2加工效果

经过对比可以看出，方法2可彻底去除车刀痕，保证抛光面平整，刀纹更细腻均匀，优于方法1。

使用三坐标测量机对零件抛光后的尺寸及几何公差进行测量，结果见表1。

表1　零件抛光后的尺寸及几何公差（单位：mm）

由表1可看出，抛光去除量约为0.01mm，加工后几何公差精度得到提高，表面质量明显提高。为验证加工后效果，将抛光后零件进行气密性试验，在16MPa气压条件下，零件气密性功能满足要求，证明改进措施有效。

PART 5  结束语

本项工艺改进充分利用多轴数控设备，解决了钛合金材料抛光工艺中的难题，提高了密封面表面质量。在阀体类零件加工过程中，使用此类弹性磨头也可进行数控去除刀纹、清理毛刺尖边等操作，可取得较好的加工效果。