高速磨削對(duì)SMA490BW鋼焊縫接頭殘余應(yīng)力的影響

高文慧，吳向陽(yáng) ，覃 超，馬傳平

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611031）

0 前言

SMA490BW耐候鋼具有較高的強(qiáng)度、韌性和塑性，同時(shí)還有良好的耐大氣腐蝕性能，因而被用于制造高速列車的轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架[1]。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫數(shù)量多且分布密集，為提高構(gòu)架焊縫疲勞性能，消除焊縫表面缺陷，焊后要對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理。目前轉(zhuǎn)向架的打磨工作主要由人工完成，打磨量大，生產(chǎn)效率低，難以適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)要求。自動(dòng)化打磨技術(shù)可以提高打磨效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)要求，保證打磨質(zhì)量。由于打磨過程中，與磨粒接觸的焊縫接頭會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，因而打磨會(huì)改變焊縫接頭表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。人工打磨后，構(gòu)架焊縫表面基本上為殘余壓應(yīng)力，而高速自動(dòng)打磨對(duì)構(gòu)架焊縫接頭殘余應(yīng)力的影響如何，是否和人工打磨的應(yīng)力狀態(tài)相同，目前未見相關(guān)研究。本研究擬利用X射線衍射法對(duì)人工打磨和自動(dòng)打磨的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，比較兩種打磨方法對(duì)構(gòu)架焊縫接頭殘余應(yīng)力的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)構(gòu)件為焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，選取構(gòu)架中電機(jī)吊座與橫梁管連接堆焊焊縫為研究對(duì)象，如圖1所示。試件所用材料為SMA490BW耐候鋼，按照日標(biāo)JIS G3114中的要求，SMA490BW耐候鋼的化學(xué)成分見表1，鋼的力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度σ0.2≥356 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=490～610 MPa，延伸率δ≥15%。所用焊接材料為CHW-55CNH焊絲，焊絲成分如表2所示。

人工打磨采用手持氣動(dòng)角磨機(jī)，安裝砂輪片按照工廠正常打磨方法進(jìn)行打磨，打磨完后進(jìn)行X射線殘余應(yīng)力測(cè)試。對(duì)于自動(dòng)打磨，首先進(jìn)行柔性砂帶全位置自動(dòng)打磨（即粗磨），粗磨工藝參數(shù)為：砂帶線速度18.5 m/s，機(jī)器人進(jìn)給速度5 mm/s，砂帶型號(hào)XK859X/VSM，粒度60目，打磨完后進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試；然后進(jìn)行無齒盤自動(dòng)精磨，精磨工藝為：無齒盤線速度60 m/s，機(jī)器人進(jìn)給速度2 mm/s，打磨量1 mm。

殘余應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)及點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離如圖1所示，共均勻布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)。殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備為PROTO-iXRD殘余應(yīng)力儀，測(cè)試參數(shù)為：同傾固定Ψ0法，CrKα輻射，管電壓20 kV，管電流4 mA，衍射晶面211，衍射角156.40°，多曝光模式，掃描范圍120°～160°，曝光時(shí)間 2 s，曝光次數(shù) 15 次，7 個(gè) β角。打磨表面的粗糙度測(cè)試采用Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度測(cè)量?jī)x。

圖1 制動(dòng)吊座與橫梁管連接堆焊焊縫

表1 SMA490BW鋼主要化學(xué)成分 %

表2 CHW-55CNH焊絲化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 表面粗糙度

人工打磨、粗磨和精磨三種狀態(tài)下隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)（編號(hào)為 1#、2#、3#）進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知，三種打磨狀態(tài)下的粗糙度都滿足X射線衍射法殘余應(yīng)力測(cè)試要求（國(guó)標(biāo)GB/T 7704-2008要求X射線應(yīng)力測(cè)試表面粗糙度Ra≤10μm）。人工打磨的粗糙度最大，平均值為4.439μm，粗磨的粗糙度次之，平均值為3.547μm，無齒盤精磨粗糙度最小，平均值為0.408 μm。粗糙度的大小是表征磨削質(zhì)量高低的一個(gè)重要參數(shù)，粗糙度越小，磨削質(zhì)量越高，構(gòu)件抗疲勞性能越好。這是因?yàn)楦鶕?jù)斷裂力學(xué)原理，表面粗糙度值越大，切口效應(yīng)就越大，即應(yīng)力集中系數(shù)越大，疲勞性能就越差[2]。

表3 三種磨削狀態(tài)下表面粗糙度 μm

2.2 表面殘余應(yīng)力

三種磨削狀態(tài)下電機(jī)吊座與橫梁管連接焊縫接頭的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果（取整）如表4所示，其中σx為垂直于磨削方向的應(yīng)力，σy為平行于磨削方向的應(yīng)力；正值為殘余拉應(yīng)力，負(fù)值為殘余壓應(yīng)力。

圖2、圖3分別為三種磨削狀態(tài)下的垂直于磨削方向殘余應(yīng)力和平行于磨削方向殘余應(yīng)力比較曲線。由表4和圖2可知，人工打磨狀態(tài)下所測(cè)的表面垂直于磨削方向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，分布在-210～-60 MPa。粗磨狀態(tài)下所測(cè)表面垂直于磨削方向殘余應(yīng)力絕大部分為壓應(yīng)力，分布在-130 MPa～0 MPa之間，其余為較小的拉應(yīng)力，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在33#號(hào)測(cè)點(diǎn)，為116 MPa。精磨狀態(tài)下所測(cè)表面垂直于磨削方向殘余應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，分布在-160～-10 MPa，而 13#、22#、23# 號(hào)測(cè)點(diǎn)為拉應(yīng)力，最大值為31 MPa。

表4 三種磨削狀態(tài)下殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖2 垂直于磨削方向應(yīng)力曲線比較

由表4和圖3可知，人工打磨狀態(tài)下所測(cè)的表面平行于磨削方向的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，分布在-240～-50 MPa。粗磨狀態(tài)下所測(cè)表面平行于磨削方向殘余應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，分布在20～280 MPa，最大拉應(yīng)力值279 MPa，出現(xiàn)在22#號(hào)測(cè)點(diǎn)。精磨狀態(tài)下所測(cè)表面平行于磨削方向殘余應(yīng)力大部分為拉應(yīng)力，分布在10～130 MPa之間，最大拉應(yīng)力值128 MPa，出現(xiàn)在24#號(hào)測(cè)點(diǎn)，而其余測(cè)點(diǎn)為壓應(yīng)力。

圖3 平行于磨削方向應(yīng)力曲線比較

2.3 分析討論

殘余應(yīng)力是在沒有外力作用的情況下，在物體內(nèi)部保持平衡而殘留的應(yīng)力。磨削過程中，由于加工變質(zhì)層比一般切削局限于表面，而且磨削溫度較高，因而磨削后產(chǎn)生壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力受到多種因素的影響。磨削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由磨削溫度、塑性變形、擠光作用以及由塑性變形引起的比容變化、金相組織等五種原因的綜合結(jié)果，它們可能同時(shí)出現(xiàn)也可能以某一方面為主[3-4]。而影響金屬材料磨削后殘余應(yīng)力的因素主要有磨削用量（如磨削深度、工件速度、砂輪速度等）、砂輪參數(shù)、冷卻條件和砂輪表面形貌等[3-4]。從前述殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果看，人工打磨時(shí)，所測(cè)應(yīng)力全部為壓應(yīng)力。這是因?yàn)槿斯ど拜喆蚰ゾ€速度較低、磨削力較小，機(jī)械作用起主要作用，導(dǎo)致工件表面層形成殘余壓應(yīng)力[5]。而對(duì)于粗磨和精磨垂直于磨削方向的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，平行于磨削方向的殘余應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，這是由于塑性凸出效應(yīng)產(chǎn)生的[5]。當(dāng)磨粒具有較大的負(fù)前角，造成變形區(qū)的塑性變形非常嚴(yán)重，在磨粒的前方將產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)磨粒沿加工表面前移時(shí)，表面沿磨削方向發(fā)生塑性收縮，垂直方向發(fā)生拉伸塑性變形，從而使得表面沿磨削方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，垂直磨削方向產(chǎn)生壓應(yīng)力。在柔性砂帶打磨后進(jìn)行無齒盤精磨，殘余應(yīng)力水平下降，這是因?yàn)榫r(shí)無齒盤線速度相對(duì)于柔性砂帶線速度提高了，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，每個(gè)磨粒切削磨屑厚度變小，磨屑變得細(xì)薄，導(dǎo)致每個(gè)磨粒承受的磨削力變小，降低了總磨削力，獲得了較低的殘余應(yīng)力水平[6-7]。

3 結(jié)論

（1）在人工打磨、粗磨和精磨三種狀態(tài)下，構(gòu)架焊縫接頭在人工打磨后粗糙最高，平均值為4.439 μm；粗磨后次之，平均值為3.547 μm；精磨后的粗糙度最小，平均值為0.408 μm。

（2）人工打磨構(gòu)架焊縫接頭表面的應(yīng)力均為壓應(yīng)力。粗磨和精磨構(gòu)架焊縫接頭的表面平行磨削方向的應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力峰值分別為279MPa和128 MPa，而垂直磨削方向的應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，精磨焊縫接頭表面殘余應(yīng)力水平低于粗磨焊縫接頭。

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