马季1，肖贵坚2，刘振样2

（1，重庆美的通用制冷设备有限公司；2，重庆大学）

摘要：钛合金具有良好的综合性能，在航空航天、石油化工、生物医学、环境保护等领域的应用都很广泛。但也因为钛合金兼具高硬度与高强韧特性使其成为典型的难加工材料，磨削表面易出现烧伤、裂纹等热损伤。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。研究激光砂带加工钛合金表面形貌研究对提升激光砂带加工工艺提高钛合金表面完整性意义重大。通过改变激光参数和磨削参数进行激光砂带磨削钛合金表面形貌对比实验，使用Gwyddion软件分析比较不同影响因素下磨削表面的三维形貌。结果表明：砂带转速的越高材料去除效果越好，钛合金表面磨痕更加细腻，表面粗糙度降低；随着激光功率的增加，激光的热效应更加明显，材料的软化效果更加明显，材料的去除效果更好；当增加下压量时，磨削阻力增加，材料的去除效果降低，并引起表面粗糙度增加。

引言

钛及钛合金具有良好的综合性能，在航空航天、石油化工、生物医学、环境保护等领域的应用都很广泛。钛合金具有较高的比强度，良好的耐腐蚀、耐高温等性能，在金属材料王国中被称为“全能金属”，是继铁、铝之后极具发展前景的“第三金属”和“战略金属”，作为高性能航空航天结构的关键材料，其性能对飞行器结构、质量、效率、服役可靠性和使用寿命都具有重要的作用。但也因为钛合金兼具高硬度与高强韧特性使其成为典型的难加工材料，磨削表面易出现烧伤、裂纹等热损伤。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。但激光砂带协同加工不同参属下的表面形貌尚不清晰，而表面形貌是衡量工件表面完整性的重要关键指标。因此，研究激光砂带加工钛合金表面形貌研究对提升激光砂带加工工艺提高钛合金表面完整性意义重大。

本文针对钛合金激光砂带协同加工表面形貌展开研究，开展了一系列激光参数和磨削参数对照实验。进行了不同砂带转速、进给速度、下压量、激光功率下的变参数实验，并对磨削的表面粗糙度、二维形貌和三维形貌进行了分析，本研究可为改善钛合金高表面完整性加工工艺提供指导。

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，钛合金板材利用线切割成30mm×25mm尺寸大小，式样用2000目砂纸进行抛光，获得较好的表面质量便于之后观察研究。实验用砂带为VSM XK870X锆刚玉陶瓷砂带。

图1 钛合金实验板材

1.2 实验平台和检测设备

本实验采用激光砂带协同加工装备，如图2所示。该装备由高服役表面加工团队自主研发设计，该设备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。为超疏水、减阻以及其他仿生功能表面的大面积加工提供了一种创新的方法，有助于实现微纳结构在叶片、螺旋桨等复杂曲面上的工程应用，形成了稳定的研究方向。该装备是国内研发的首台激光砂带协同加工装备，该装备涵盖皮秒激光加工和砂带同时加工的能力，打破了不能形成特定微纳结构表面的传统砂带磨削及不能实现高效率材料去除的皮秒激光加工的局限。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，整体采用大理石框架结构，具有高稳定性，集成激光发生器、激光传输聚焦扫描系统、三轴运动平台、观察系统、外围辅助系统（集尘吹气等）以及控制系统，各部分相互配合形成统一的整体。

图2 激光砂带协同加工装备

选用上海泰勒普森生产的FTSIntra表面粗糙度轮廓仪测量磨削表面的粗糙度；使用上海光学仪器厂生产的金相显微镜对磨削表面的二维形貌进行观察；利用白光干涉仪观察得到磨削表面的三维微观形貌，并用Gwyddion软件进行分析。

1.3 实验方法

在激光砂带协同加工实验平台上根据确定的工艺参数范围进行10组单因素实验，对对钛合金材料的磨削性能进行单因素研究，具体参数取值见表1。本试验以钛合金作为研究对象，采用不同的激光参数和砂带磨削参数进行试验，对加工过程中的热进行检测，记录表面粗糙度值、二位形貌以及三维形貌等，并比较总结其实验结果。

2 实验结果与分析

2.1 表面粗糙度的分析

本内容通过探究不同工艺参数下砂带磨削过后工件表面的粗糙度，分析各工艺参数对粗糙度的影响，以得到最佳粗糙度的最优工艺参数值。

（1）激光功率对粗糙度的影响

经过多组实验的探索，实验中控制砂带转速、进给速度、下压量以及激光扫描速度，改变激光功率。取表1中1、2、3、4组实验进行具体分析，如图3所示，当激光功率从3.6W增大到9W的时候，钛合金表面粗糙度从1.654μm降到了1.101μm，可以看出随着激光能量的增加，激光对钛合金表面的去除效果越明显，促使表面粗糙度降低，当激光能量增加时也有助于辅助砂带进行磨削。

图3不同激光功率下表面粗糙度

（2）砂带转速对粗糙度的影响

当进给速度为1mm/s,下压量为0.1mm,激光功率设为9W，激光功率设为1500mm/s时，通过改变砂带转速来进行实验，经过多组实验探索，如表1中实验4、5、6、7组实验，当其他实验参数不变时，将砂带转速从200mm/s提高到600mm/s时，钛合金表面粗糙度从1.101μm降到了0.901μm。由此可见，当砂带转速提高时，可以降低钛合金表面的粗糙度。当砂带转速提高时，当砂带转速提高时，单位时间内经过表面的磨粒数越多，使材料去除率更加高效，从而使表面粗糙度能够降低。

（3）下压量对粗糙度的影响

在实验中，为了探究砂带下压量对钛合金表面粗糙度的影响，分别设置了多组实验，在其他实验参数不变的情况下，逐渐增加砂带下压量，以此探究对表面粗糙度的影响。如表1中实验7、9、10组实验，设置转速为600mm/s，进给速度为1mm/s，激光功率为9W，激光扫描速度为1500mm/s，改变下压量，分别设置下压量为0.1、0.2、0.3mm。最终通过检测可得，随着下压量的增加，钛合金表面粗糙度逐渐增加，当下压量为0.1mm时，表面粗糙度为0.901μm，当下压量增加到0.3mm时，表面粗糙度也随着增加到了0.987μm。由此可见，较大的下压量下有较大的磨削力，磨粒与工件表面的作用力较大，砂带的磨损也有所增加。因此，表面粗糙度随着下压量的增加而增加。

2.2 三维形貌分析

（1）激光功率对三维形貌的影响：

控制激光功率作为单一变量，实验中设置砂带转速为200r/min，进给速度为1mm/s，下压量为0.1mm，激光扫描速度为1500mm/s，然后进行多组实验，选取表1中的1、2、3、4组实验，即激光功率分别为3.6W、4.8、6W和9W。探究不同激光功率下白光的三位形貌的变化，白光干涉检测图像如图7所示，由下图（a）、（b）、（c）、（d）可知，当激光功率分别为3.6W、4.8W、6W、9W时，对应的材料去除高度差分别为15μm、17μm、22μm、24μm。由此可以发现，随着激光功率的增加，材料去除量增加，有效磨削量增加，工件表面残余量降低。当激光功率达到设定最大值9W时，材料去除的高度差也达到了最大值24μm。另外，当激光功率从3.6W增加到4.8W时可以看出材料的去除高度差仅仅相差了2μm，但当激光功率从4.8W增加到6W时材料去除的高度差相差了5μm，随着激光功率的进一步增加，可发现材料的去除高度差逐渐减小。这时如果再继续增大激光功率，对材料的去除效果不会呈现明显的增加。

图4不同激光功率下的三维形貌

（2）砂带转速对三维形貌的影响：

控制砂带转速作为单一变量，实验中设置进给速度为1mm/s，下压量为0.1mm，激光功率设置为一个较大值9W，激光功扫描速度设置为1500mm/s。通过多次改变砂带转速进行实验，最终选取如表1中的4、5、6、7四组实验，即砂带转速分别设为200r/min、300r/min、400r/min、600r/min,对不同转速下的三维形貌进行了白光检测，白光干涉检测图像如下图8所示，由图（a）可知，当砂带转速为200r/min时，材料去除的高度差为13μm。如图（b）,当砂带转速为300r/min时，材料去除的高度差为14μm。如图（c）,当砂带转速为400r/min时，材料去除的高度差为18μm。如图（d），当砂带转速为600r/min时，材料去除的高度差为21μm。由几组实验白光检测的三位形貌可知，随着砂带转速的增加，材料去除的效果越明显，有效磨削量较高，工件表面的残余量较小。当砂带转速达到实验中的最大值600r/min时，钛合金材料表面的去除高度差达到了最大值21μm。

图5 不同砂带转速下的三维形貌

（3）下压量对三维形貌的影响：

在实验中，控制下压量作为单一变量，设置砂带转速600r/min，进给速度为1mm/s，激光功率设为实验中的最大值9W，激光扫描速度为1500mm/s。选取表1中7、9、10三组实验进行白光三维检测。即设置下压量分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm。白光干涉检测图如下图9所示，图（a）中，下压量为0.1mm，由磨痕可看出，最大材料去除的高度差为22μm，此时的材料去除效果较为良好。当下压量增加到0.2μm，即如图（b）时，可看到磨痕相对图（a）较为粗糙一些，此时的材料去除最大高度差为18μm，可以发现，此时的材料去除最大高度差相对于（a）图中最大高度差下降了4μm。当继续增加下压量，使下压量达到0.3mm时，如图（c）,可以观察到钛合金材料表面磨痕相对于前两组实验有一个显著降低的细腻程度，同时材料去除的最大高度差为13μm，相对于前两组实验也明显降低了材料去除的最大高度差。由此可以得出结论，随着下压量的增加，砂带对钛合金表面的磨削阻力也相对增加，从而导致了材料的去除效果降低，工件表面的残余量较大，材料去除的最大高度差降低。

图6 不同下压量下的三维形貌

3 结论

1、随着砂带转速的提高，单位时间内经过工件表面的砂带磨粒数越多，使材料的去除效果更好，钛合金表面磨痕更加细腻，粗糙度随着转速的增加而降低。

2、随着激光功率的增加，激光能量上升，促使激光对钛合金表面的热效应更加明显，从而使加工表面的软化效果更好，进而使材料的去除效果更好。随着激光功率的增加，表面粗糙度降低，最低可达到0.901μm，并且加工效率更高。

3、本实验对钛合金激光砂带加工的表面形貌进行了分析研究，为优化钛合金高表面完整性磨削加工工艺提供新的参考，为具有高表面完整性的零部件加工有一定指导意义。