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(zhǔn)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(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)還是國家標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)械加工對測試數(shù)據(jù)帶來的影響。此外，各標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，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(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討各工藝參數(shù)對試樣表面完整性的影響。

       1實(shí)驗(yàn)方案

       在砂帶拋光的過程中，拋光速度、進(jìn)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(shí)驗(yàn)選定的4個(gè)工藝參數(shù)。對拋光后表面質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)參數(shù)。

       1．1 正交實(shí)驗(yàn)

       為全面了解工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響，首先進(jìn)行了一次L9(34)正交實(shí)驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行比較。
       1．2 單因素試驗(yàn)
       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(yàn)。所選參數(shù)如表2所示。
 
       2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
       2．1 表面紋路及微觀缺陷
       試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的砂帶拋光設(shè)備上進(jìn)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(shí)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(jìn)行觀察，二者同時(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)表進(jìn)行直觀分析，計(jì)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(jìn)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(jìn)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(yàn)，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(shí)，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(xì)，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒越多，單顆磨粒負(fù)荷減小，切削時(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)表進(jìn)行直觀分析，計(jì)算出各因素的極差值由大到小為：R進(jìn)給速度=148.9，R磨削速度=110，R切削深度=90。由此可以看出，進(jìn)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(jìn)給速度的增加而增加。這是因?yàn)槟ハ魉俣鹊脑黾訉?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(jìn)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(dāng)磨削深度較小時(shí)，砂粒尚沒有進(jìn)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(jìn)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(dāng)砂粒正式進(jìn)入切削階段后，繼續(xù)增加磨削深度時(shí)，則增大了法向磨削力，也會(huì)增大表面殘余應(yīng)力，因此，當(dāng)切削深度超過一定值時(shí)，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(yàn)中增加了一組單因素試驗(yàn)，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(yàn)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(huì)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(shí)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(jìn)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)

       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(dāng)砂帶粒度為800目時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(xì)，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(jìn)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(huì)使殘余應(yīng)力增大。

       參考文獻(xiàn)
       ［1］邱言龍，鄭毅，余小燕．磨工技師手冊［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:723－725．
       ［2］王維郎，潘復(fù)生．砂帶磨削技術(shù)及材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景［J］．材料導(dǎo)報(bào)，2006， 20(2):106－108．
       ［3］王仁智．殘余應(yīng)力測定的基本知識［J］．理化檢驗(yàn)：物理分冊，2007(43): 535－539．
       ［4］趙選民．試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［M］．北京：科學(xué)出版社，2006，23－45．
       ［5］趙玉明．試樣加工的現(xiàn)狀和問題［J］．冶金物理：測試分冊，1984(2) : 43－45．
       ［6］Kuroda M，James M T．Preparation of fatigue specimens with controlled surface characteristics［J］．Journal of Materials Processing Technology，2008，203(1－3) : 396－403．
       ［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）