引 言

       試樣制備在材料力學(xué)性能測試中占有非常重要的地位，加工后試樣表面質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到材料各種力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，尤其是疲勞試樣，表面質(zhì)量對其測試數(shù)據(jù)的影響更為明顯；因此，無論是美國試驗與材料協(xié)會標準還是國家標準，都對疲勞試樣的表面做了規(guī)定，要求盡量減少試樣表面的加工硬化和殘余應(yīng)力，從而減少由于機械加工對測試數(shù)據(jù)帶來的影響。此外，各標準均要求試樣工作部分的加工紋路為縱向紋路。
       砂帶拋光工藝具有加工效率高、“冷態(tài)”磨削、磨削速度穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點，近期獲得迅速發(fā)展。將砂帶拋光工藝引入試樣加工領(lǐng)域，可有效地降低試樣表面粗糙度，減少試樣表面殘余應(yīng)力和硬化，獲得較高的表面質(zhì)量，并且可以實現(xiàn)縱向紋路的加工，具有廣闊的應(yīng)用前景。基于試樣加工的需求，針對A－100鋼材，對砂帶拋光工藝進行實驗研究，探討各工藝參數(shù)對試樣表面完整性的影響。

       1實驗方案

       在砂帶拋光的過程中，拋光速度、進給速度、拋光深度和砂帶粒度是影響拋光結(jié)果的主要因素，也是本實驗選定的4個工藝參數(shù)。對拋光后表面質(zhì)量的評價標準中，選擇了表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面紋路及加工后的表面缺陷4個參數(shù)。

       1．1 正交實驗

       為全面了解工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響，首先進行了一次L9(34)正交實驗。根據(jù)經(jīng)驗，選擇的因素及水平見表1。
       表1中VP1～VP9為砂帶拋光后試樣。在前面工序相同的情況下，用現(xiàn)有的砂輪磨削方式加工了2根試樣VP37、VP38，目的是與砂帶拋光工藝進行比較。
       1．2 單因素試驗
       針對砂帶粒度對試樣加工后表面質(zhì)量的影響做了一組單因素試驗。所選參數(shù)如表2所示。
 
       2 試驗結(jié)果及分析
       2．1 表面紋路及微觀缺陷
       試驗在自行設(shè)計的砂帶拋光設(shè)備上進行了拋光。通過目視觀察，經(jīng)砂帶拋光后，試樣表面紋路由周向改為軸向，實現(xiàn)了縱向拋光，且表面光潔度有顯著提高。用掃描電鏡分別對加工后試樣表面進行觀察，二者同時放大500 倍，圖像如圖1 所示。              由圖1中放大圖可以看出，經(jīng)過砂帶拋光后的試樣表面紋路由橫向變?yōu)榭v向，且無微觀缺陷(微裂紋、橫向刀痕等)。此外，砂帶拋光后縱向紋路的拋光痕跡連續(xù)而且痕跡較淺；而砂輪磨削后橫向紋路的磨削痕跡較深且雜亂。相比而言，砂帶拋光更適合于制備疲勞試樣。
       2．2 表面粗糙度
       表面粗糙度采用 Taylor Hobson FORM TALY-SURE－120型粗糙度測量儀進行測量， 拋光后試樣表面粗糙度值如表3 所示。
由表3可知，砂帶拋光后試樣VP1～VP9表面粗糙度平均值為Ra=0.094μm；砂輪磨削試樣VP37、VP38表面粗糙度平均值為Ra= 0.219μm。經(jīng)過砂帶拋光后，試樣表面粗糙度值下降一倍多，拋光效果顯著。
對正交實驗表進行直觀分析，計算出各因素的極差值由大到小為：R切削深度=0.082，R磨削速度=0.06，R進給速度=0.047。由此可以看出，在所選范圍內(nèi)就三者而言，切削深度對粗糙度的影響最大，其次為磨削速度，影響最小的為進給速度。
為了說明砂帶粒度對試樣表面粗糙度的影響，在固定其他參數(shù)的情況下做了一組單因素試驗，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，砂帶粒度從320目提高到800目時，Ra值從0.641μm 下降到0.082μm。可見，砂帶粒度對Ra值的影響是起決定性的。砂帶粒度越細，單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒越多，單顆磨粒負荷減小，切削時犁溝兩側(cè)塑性隆起減小，因而拋光后試樣的表面粗糙度越小。
       2．3 表面殘余應(yīng)力
       表面殘余應(yīng)力的測量在 Stresstech X3000型X射線殘余應(yīng)力測試儀上進行，測量結(jié)果如表4所示。
表4中測量結(jié)果顯示，無論是傳統(tǒng)砂輪磨削還是砂帶拋光，所產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力。傳統(tǒng)磨削方式加工的表面縱向殘余應(yīng)力平均值為-235MPa，而砂帶拋光后殘余應(yīng)力平均值降為-140.233 MPa，可見，砂帶拋光工藝對降低試樣表面殘余應(yīng)力效果顯著。
       對正交實驗表進行直觀分析，計算出各因素的極差值由大到小為：R進給速度=148.9，R磨削速度=110，R切削深度=90。由此可以看出，進給速度對表面殘余應(yīng)力的影響最大，其次為磨削速度，影響最小的為切削深度。
       各加工參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響趨勢如圖3所示。從圖中可以看出，表面殘余應(yīng)力隨磨削速度的增加而降低，隨進給速度的增加而增加。這是因為磨削速度的增加導(dǎo)致磨削力的降低，從而減少了塑性變形，降低了表面殘余應(yīng)力，進給速度的變化則與之相反；對于磨削深度，表面殘余應(yīng)力值則是先降低后增加。當磨削深度較小時，砂粒尚沒有進入切削狀態(tài)，砂粒與工件間為主要為刻劃、擠壓作用，材料內(nèi)部及表面塑性變形較大，從而增大了工件表面殘余應(yīng)力。隨著切削深度的增加，砂粒進入正常切削狀態(tài)，擠壓作用減小，表面殘余應(yīng)力隨之減小，因此折線前半段呈減小趨勢。而當砂粒正式進入切削階段后，繼續(xù)增加磨削深度時，則增大了法向磨削力，也會增大表面殘余應(yīng)力，因此，當切削深度超過一定值時，表面殘余應(yīng)力隨切削深度的增加而增大。
       為了探究砂帶粒度對殘余應(yīng)力的影響，試驗中增加了一組單因素試驗，選定一組參數(shù)不變，砂帶粒度選了4種，分別為320、400、600、800目，試驗結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，砂帶粒度過大或過小，都會使殘余應(yīng)力增大。在所選的范圍內(nèi)，400目的砂帶加工出的試樣，表面殘余應(yīng)力最小。這是由于砂帶粒度過大，微切削刃越粗糙，拋光時產(chǎn)生的塑性變形就越大，因而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就越大；而砂帶粒度過小，微切削刃小，磨削效率低，在進給的過程中，接觸輪也發(fā)生形變，從而導(dǎo)致在拋光過程中存在很大的擠壓作用，這種擠壓作用使拋光后的殘余應(yīng)力增大。

       3 驗證實驗

       根據(jù)GB/T15248-2008及ASTM E466-2007規(guī)定，疲勞試樣的表面粗糙度要保證在0.2μm以下，當砂帶粒度為800目時，可滿足此條件。在此條件下，其他參數(shù)按表面殘余應(yīng)力最小的標準選擇。用該組工藝參數(shù)加工4根試樣，其表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力如表5所示。
       表5中1～4號為砂帶拋光工藝加工出的試樣，由表可知，該組工藝參數(shù)加工出的試樣表面質(zhì)量比較穩(wěn)定，粗糙度Ra在0.1μm左右，表面殘余應(yīng)力σ在-125～-135MPa范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)砂輪磨削的工藝相比，在表面質(zhì)量上有很大的提升，適于試樣的加工。

       4 結(jié)論

       1) 砂帶拋光工藝可以實現(xiàn)試樣表面縱向紋路的加工，減少表面微缺陷，有效改善試樣表面質(zhì)量。
       2) 砂帶拋光工藝可以有效降低試樣表面粗糙度值Ra。砂帶粒度對Ra值的影響是決定性的，砂帶粒度越細，拋光后試樣的表面粗糙度越小。
       3) 砂帶拋光工藝可以降低試樣表面殘余應(yīng)力。表面殘余應(yīng)力隨磨削速度的增加而降低，隨進給速度的增加而增加。對于磨削深度而言，則是隨磨削深度的增加，試樣表面殘余應(yīng)力值先降低后增加。砂帶粒度過大或過小，都會使殘余應(yīng)力增大。

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       ［收稿日期］2012 年 2 月 2 日 ［修訂日期］2012 年 4 月 25 日
       ［作者簡介］殷亮( 1985年－)，男，碩士，主要從事航空材料切削技術(shù)及試樣加工工藝等方面的研究
 
        轉(zhuǎn)載自《失效分析與預(yù)防》2012年7月（第7卷第3期）