文/肖贵坚 刘振扬 邓忠才

重庆大学

摘要：钛合金因其优越的热机械性能广泛应用于航空航天领域，但其高强度、低导热性的材料属性造成其成为典型的难加工材料。激光砂带磨可以在加工过程中改善钛合金材料的可加工性，但也伴随着引入了更高的磨削热，这会影响钛合金加工后的表面完整性，研究这种新工艺加工过程中的磨削热意义重大。通过改变激光参数和磨削参数进行激光砂带磨削钛合金磨削热对比试验实验，使用Smart View软件分析比较不同影响因素下加工过程中的磨削热的变化分布规律。结果表明：激光扫描速率的减小、激光功率和磨削参数的增大都会导致磨削热增加；在激光砂带加工过程中激光参数对磨削区域磨削热影响最大的因素是激光扫描速率；磨削参数中对磨削区域磨削热影响最大的因素是砂带转速，次之是下压量，影响最小的是工件进给速度。

引言

钛合金因其优越的材料特性（强度高、耐蚀性好、耐热性高）广泛应用于航空发动机、火箭、导弹和高速飞机的关键结构零部件的制造。但其独特的低导热弹性、高强度使其成为典型的难加工材料。激光砂带磨削可以对难加工材料进行加热软化从而有效提高难加工材料的可加工性。但激光能量和磨削功率绝大多数都以热能方式转化，钛合金导热性差，导致磨削区域温度急剧上升。过量的磨削热会影响钛合金加工后的表面完整性。研究激光砂带加工钛合金过程中磨削热的影响因素对改善激光砂带加工工艺提高钛合金表面完整性有重要意义。

本文针对钛合金激光砂带加工磨削热的影响因素展开研究，开展了一系列激光参数和磨削参数对比试验。通过激光功率、激光扫描速率、磨削速度（砂带转速）、磨削深度（下压量）、进给量五个主要影响因素对钛合金激光砂带加工磨削热的影响进行分析研究，为优化钛合金激光砂带磨削加工工艺提供新的思路。

1.实验条件和方法

1.1 实验材料

本实验所采用的工件材料为钛合金板材，如图1所示，实验钛合金板材的尺寸为200mm×100mm×2mm。实验用砂带为VSM XK870X锆刚玉陶瓷砂带。磨削加工工艺提供新的思路。

图1 钛合金实验板材

1.2 实验平台和检测设备

实验平台为重庆大学高性能表面完整性团队激光砂带磨实验平台，如图2所示，该平台结合了超快激光加工的高精度、无损伤和砂带磨削高效率、高表面完整性的加工特点，能实现仿生或功能性微纳结构高效、高精度及其强化加工。装备集成了高端冷光源激光加工成套设备和砂带磨削装置，整体采用具有高稳定性的大理石框架结构，集成激光发生器、激光传输聚焦扫描系统、五轴运动平台、观察检测系统、外围辅助系统以及大型计算机控制系统，各部分相互配合形成统一的整体，形成闭环控制系统，人机交互便捷，适用于表面织构、材料精细微加工。

图2 激光砂带协同加工装备

磨削热检测设备采用Fluke Ti32热成像仪及配套设备，如图3所示，Fluke Ti32热成像仪可实现-20℃到+600℃的测量（误差±2℃），可以通过取大值发射率补偿背景温度；图像捕捉频率9 Hz 刷新率或 60 Hz 刷新率；探测器类型320×240 焦平面阵列；非制冷微测辐射热计热灵敏度(NETD)≤0.05℃，(30 ℃目标温度时)(50 mK)光谱带7.5μm～14 μm(长波)可见光照相机200万像素最小焦距46 cm(约18 in)。可实现实验过程中的温度检测。

图3 Fluke Ti32热成像仪及配套设备

1.3 实验方法

选择不同激光参数和磨削参数进行激光砂带协同加工实验，在加工过程中使用Fluke Ti32热成像仪记录实验中的磨削热和磨削区域热场分布情况。记录过程中保证Fluke Ti32热成像仪对焦在激光和砂带接触的部位，为研究磨削区域热场分布情况，拍摄区域必须包含激光砂带协同加工过的整个区域。激光参数选择不同的激光功率和激光扫描速度作为变量；磨削参数选择不同的砂带线速度（电机转速），磨削深度（下压量），工件进给速度作为变量，参数如表1所示。