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精密研磨ベルト研削精密チタン合金部品の表面完全性に関する実験的研究

キーワード:チタン合金表面処理、チタン合金研削、プレストレスト砥石ベルト、プレストレスト砥石研削原理、砥石研摩チタン合金

チタン合金加工表面の耐疲労性および耐食性を改善するために、プレストレス研磨ベルト研削原理に基づいて、チタン合金ベルトを異なるプレストレス条件(0MPa、100MPaおよび200MPa)下で研削した。 工作物の表面完全性は、異なるプレストレス条件下で研削することによって検出および分析される。 研磨ベルトモデルに基づいて、プレストレスト研磨ベルトの研削残留応力と表面トポグラフィーのメカニズムを明らかにした。 砥粒モデルに基づいて、プレストレス研磨ベルト研削における残留応力と表面形態のメカニズムを明らかにした。


その結果、次のことがわかりました。材料の弾性範囲内でのプレストレスおよび研削は、加工物表面の残留圧縮応力状態を効果的に強化することができる。 プレストレスの増加と共に、残留圧縮応力は徐々に増加した;プレストレス研磨ベルト研削は表面硬度にほとんど影響を及ぼさず、プレストレスと共に一定範囲内で変化しなかった。 プレストレス研磨ベルトで研削すると、より良い表面トポグラフィが得られますが、粗さはわずかに増加します。

チタン合金は、低密度、高比強度、強い耐食性および良好な耐熱性などの優れた特性を有する。 航空、造船、原子力、医療機器などの産業で急速に普及し、使用されています。 それにもかかわらず、チタン合金は典型的な機械加工が困難な材料です。 それは多くの場合、ワークピースの表面の火傷、マイクロクラックおよび研削工具の激しい磨耗のような研削プロセス中に一連の問題を引き起こす。


工作物表面の残留応力は研削後の工作物の機械的および物理的特性に直接影響するため、工作物の表面品質の重要な評価指標としてしばしば使用される。 残留引張応力は、従来の研削砥石の研削後にワークピースの表面にしばしば形成され、これはワークピースの疲労強度および耐食性を改善するのには役立たない。 しかし、ベルト研削は新たな精密加工技術です。 その低い研削温度、低い加工コストおよび強い適応性のために、それは「冷弾性研削」と呼ばれます。 研削後、ワークピースの表面は、特に高い信頼性要件(航空エンジンブレード、発電機シャフトなど)の観点から、しばしば圧縮応力の状態にあります。

工作物表面の残留応力は研削後の工作物の機械的および物理的特性に直接影響するため、工作物の表面品質の重要な評価指標としてしばしば使用される。 残留引張応力は、従来の研削砥石の研削後にワークピースの表面にしばしば形成され、これはワークピースの疲労強度および耐食性を改善するのには役立たない。 しかし、ベルト研削は新たな精密加工技術です。 その低い研削温度、低い加工コストおよび強い適応性のために、それは「冷弾性研削」と呼ばれます。 研削後、ワークピースの表面は、特に高い信頼性要件(航空エンジンブレード、発電機シャフトなど)の観点から、しばしば圧縮応力の状態にあります。

研削後のワークピースの表面には残留圧縮応力が形成されますが、高性能部品の処理要件を満たすことは依然として困難です。 プレストレスト加工は、残留応力を処理する方法です。 関連研究は、プレストレス処理方法が処理後に加工物の表面上の残留圧縮応力を得て、加工物の疲労強度を改善することができることを示した。 しかし、プレストレスト研磨ベルト研削に関する研究は比較的少ないので、この論文では研磨ベルト研削とプレストレスの組み合わせを使用しています。 研削実験をチタン合金Ti ‐ 6Al ‐ 4V(TC4)工作物について行って、工作物の表面完全性に及ぼす種々のプレストレスの影響を研究した。

プレストレスト研磨ベルト研削原理
研磨ベルト研削は典型的な弾性研削プロセスであり、機械加工プロセスは非常に複雑であるため、研削プロセス中の残留応力には多くの理由があります。 現在、ほとんどの学者は研削後の工作物表面の残留応力は砥粒の機械的応力によって引き起こされる塑性変形であると考えています。 熱可塑性変形による体積変化と研削熱による金属組織変化の複合効果の結果 砥粒の機械的作用によって生じる塑性変形は残留圧縮応力を形成し、研削熱は熱可塑性変形を引き起こして残留引張応力を形成する。 金属組織変化によって生じる残留応力は、相変化の種類によって異なります。

プレストレス方法は、プレストレス研磨粒子の機械的応力によって、機械加工後の加工物の表面残留応力を改善することができる。

その原理は、研削の前に、弾性範囲内の引張応力が工作物に加えられ、研削のための引張応力状態を弾性的に変形させそして維持することである。 研削工程中に、工作物の表面層は、砥粒の機械的応力の塑性変形によって切削され、それによって弾性変形を引き起こす引張応力を解放する。 内部工作物はまだ弾性的に伸張された状態にある。 研削後、印加されたプレストレスが除去され、プレストレスが除去された状態で工作物の内層が弾性的に収縮され、それによって機械加工表面に残留圧縮応力が発生する。 それにより、工作物の疲労強度および耐食性が改善される。 加工後に生じる残留圧縮応力は、加工物の内層の収縮量によって決まる。 したがって、プレストレスの大きさを調整することによって内層の収縮量を制御し、それによって加工物の表面上の残留応力を制御することが可能である。

試験条件および方法
2.1試験材料

試験材料は、Φ10×90mmのサイズを有するTi − 6Al − 4V(TC4)合金であり、サンプルの化学組成および機械的性質はそれぞれ表1および2に示されている。
Ti ‐ 6Al ‐ 4V(TC 4)合金の化学組成と機械的性質

表1 Ti-6Al-4V(TC4)合金の化学組成と機械的性質

 
2.2試験装置
実験は、自社開発の2M5005定圧円筒ベルト研削機で行った。 図1に示すように、工作機械はベルト研削ヘッド、ドライブユニット、ツーリング、および電気制御システムで構成されています。
 
2M5005定圧ベルト研削盤
2M5005定圧ベルト研削盤


 
ワークピースの表面残留応力は、オランダのPANalticalによって製造されているEmpyrean X線回折計を使用して分析された。 工作物の表面粗さはTR200接触表面粗さ計により測定され;硬度計は600 − MRA・L型ロックウェル硬度計であり;工作物の表面トポグラフィーは走査電子顕微鏡を用いて調べられた。

2.3試験条件
本論文では、異なるプレストレス条件下でのチタン合金サンディングベルトの研削方法を平滑研削法によって研究した。 具体的な試験条件を表3に示す。
 
チタン合金ベルト研削
研磨ベルト研削チタン合金



図2にプレストレスベルト研削試験装置を示します。 試験はTC4棒試験片を自作ジグで固定して行った。 トルクレンチは、ワークピースに予圧をかけるために加えられた力ナットをねじるために使用されます。 プレストレス力の値は通常、工作物材料の降伏応力σsの60%を超えない。 各試験を5回繰り返し、試験結果を平均して試験誤差を減らした。
 
プレストレスト研磨ベルト研削試験装置
 
テスト結果と分析
3.1残留応力
図3は、異なるプレストレス条件下で測定された工作物の残留応力値を示す。 加えられるプレストレス値が増加するにつれて、加工物の表面上の残留圧縮応力もまた増加することが分かる。
残留応力試験結果

予圧の値が0MPaのとき、加工物の表面は残留圧縮応力の状態を示す。 これは、研削中の砥粒の大きい負のすくい角、小さい後角、および冷弾性研削特性のためであり、その結果、砥粒は金属の両面に強いプレス効果を有する。 しかし、研削熱によって生じる残留引張応力は小さいため、ワーク表面には残留圧縮応力状態が生じる。

予圧を100MPaに上げると、予圧によりワークは弾性変形する。 研削プロセス中に、表面加工物は除去され、それに対するプレストレスの影響は解放され、その間内層の弾性変形は依然として存在する。 そして、加えられたプリストレスを取り除き、内層の引っ張り変形を回復させて収縮状態とする。 同時に、表面層の制限により、ワークピースの表面に残留圧縮応力が形成され、さらに研磨ベルト研削自体がワークピースの表面に残留圧縮応力を発生させ、その結果ワークピースの表面に残留圧縮応力が増大する。


プレストレスが200MPaに増大すると、加工物の表面上の残留圧縮応力はより著しく増大する。 これは、予応力が増大するにつれて、加工物の内層の弾性変形もまた増大するためである。 前応力が除去された後、収縮を回復させる効果はより顕著であり、地面上により顕著な残留圧縮応力をもたらす。

残留応力の変化勾配から、プレストレスが0MPaから100MPaに増加すると、残留応力の増加は小さく、プレストレスが100MPaから200MPaに増加すると、残留応力が著しく増加する。 これは、印加するプレストレスが100MPaであると、プレストレス除去後の内層の収縮量が不十分であり、残留応力が大きく変化するためである。


3.2表面粗さ

表面粗さは精密機械加工面の品質を評価するための重要なパラメータです。 粗さの値は、部品の加工精度、接合性能、接触剛性、耐摩耗性および耐食性に直接影響します。 これらの特性は、航空宇宙産業で広く使用されているチタン合金に、より顕著な影響を与えます。 したがって、表面粗さの制御に注意を払う必要があります。

プレストレスと表面粗さの関係を図4に示します。 図4から分かるように、プレストレスが0MPaであるとき、ワークピースの粗さが100MPaおよび200MPaのプレストレス方式と比較される。 表面応力はプレストレスが増加するにつれて増加します。 主な理由は、除荷プレストレス後の弾性回復により、チタン合金ワークピースが軸方向に収縮することである。 窪み深さおよび高さで、その結果、溝シンク突起突出部の一部表面を生じさせる粗さを増加させるために増加され、より大きなプレストレス、弾性収縮の影響強く、ワーク表面と大きいピーク高さの深い谷。
チタン合金のプレストレスと表面粗さの関係



3.3表面硬度
研削プロセス中、研削熱と研削力は通常ワークピースの表面に塑性ひずみを生じさせ、ワークを硬化させます。 表4は、異なるプレストレス条件下で加工された工作物の表面硬度を示す。 結果は、異なるプレストレス条件の下で、工作物の表面は加工によって硬化することを示した;プレストレスをかけた0MPa溶液と比較して、プレストレスは工作物の表面硬度のわずかな増加をもたらす。 しかしながら、プレストレスの増加はこの傾向を増大させず、これはプレストレスベルト研削方法が加工硬化にほとんど影響を及ぼさないことを意味する。

 
異なるプレストレス下のチタン合金の表面硬度の比較
 

3.4表面形態
異なるプレストレス条件下で得られた研削の表面形態を研究するために、チタン合金ワークピースの研削表面を走査型電子顕微鏡によって観察した。 図5は、0MPaのプレストレスを有する加工物の表面トポグラフィーを示す。 図6に示すように、プレストレスが0MPaの場合、ワーク表面には小さな付着力で多数のピットやクラックが発生し、ワーク表面を3000倍に拡大して観察し、エネルギースペクトル解析を行っていることがわかる。 見せる。 バインダーの主成分はアルミニウムと酸素であり、微量のチタンとバナジウムを含んでいることが分かる。 原子百分率から、付着力は、砥粒の主成分であるAl 2 O 3である。 これは、研削工程中にチタン合金が研磨ベルトの表面に連続的に付着し、研削屑空間が目詰まりする原因となるためである。 研磨粒子はもはやそれらの元の形状を保持せずそして研削力が増大し、研磨粒子が破裂して工作物の表面を覆う原因となる。 同時に、研削後の工作物の深さもまた様々な程度に変化し、それは研削後の工作物の表面上により多くの欠陥をもたらす。
異なるプレストレス下のチタン合金の研削表面トポグラフィー



プレストレスを100 MPaと200 MPaに増加させると、図7と図8からわかります。図5と比較して、研削後の工作物の表面欠陥は著しく減少し、研削線は明瞭で規則的であるが、明らかなへこみおよびわずかな波形の隆起が摩耗痕の両側に現れる。 主な理由は、工作物の表面がプレストレスを受け、切断された瞬間に、弾性収縮によりプレストレスが加えられた方向に反発することです。 切断工程中に研磨粒子の抵抗が減少し、それによってチタン合金に対する研磨ベルトの接着力が減少する。同時に、プレストレスが除去された後、ワークピースは収縮し、その結果、わずかなしわが発生します。

まとめ
本論文はプレストレス研磨ベルト研削法を提示した。 通常のベルト研削と比較して、プレストレスベルト研削は、プレストレスベルト研削に基づいてより顕著な残留圧縮応力を得ることができる。材料の弾性範囲内では、研削前に加えられる予応力が大きいほど、ワークピースの表面に残留する圧縮応力が大きくなります。プレストレス研磨ベルト研削法は工作物の表面硬度をわずかに改善することができるが、効果は小さく、そしてある範囲内では、それはプレストレスの増加と共に増加しない。プレストレスト研磨ベルト研削によって得られた加工物の表面は良好であり、研磨線は透明で規則的であるが、表面粗さはわずかに増加している。
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