高速磨削對轉向架用SMA490BW鋼焊接接頭組織及性能的影響

韓永峰，吳向陽，劉 岳，付正鴻

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

高速磨削對轉向架用SMA490BW鋼焊接接頭組織及性能的影響

韓永峰1，吳向陽1，劉 岳2，付正鴻2

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

高速磨削因其能成功越過磨削熱溝的影響，獲得較高的磨削效率而得到廣泛應用。對轉向架構架采用柔性砂帶打磨和無齒盤打磨后的焊接接頭進行分析測試，結果表明，無齒盤精磨后表面粗糙度明顯降低，表面平整，且其近打磨面的微觀組織和硬度并未受到打磨的影響，未出現淬硬組織或回火組織，不存在加工硬化現象。

高速磨削；轉向架；焊接接頭

0 前言

磨削加工是用磨料或磨具進行加工的總稱[1]。與其他加工方法相比，磨削具有加工精度高、應用范圍廣和加工表面質量好等優點。高速磨削與普通磨削相比，能大幅度提高磨削效率；明顯降低磨削力，提高零件的加工精度；成功越過磨削熱溝的影響使工件表面層獲得殘余壓應力；磨削比顯著提高，有利于實現自動化磨削等[2]。

高速磨削加工和超高速磨削加工已經成為很多人研究的熱點[3-10]。程澤等人[5]選擇對于難加工材料鎳基高溫合金進行單顆磨粒高速磨削試驗，探討復雜磨削機理，結果表明在單顆磨粒切厚一定的條件下，單顆磨粒磨削力隨磨削速度的增大呈減小趨勢。徐慧等人[8]則選擇對硬質合金進行磨削溫度的有限元仿真分析，結果表明砂輪線速度對工件表面磨削溫度的影響基本呈先上升后下降的趨勢。很多學者著眼于難加工材料的磨削機理和影響規律的研究，但是對于復雜構件的自動化、機械化磨削的研究還很少。

在高速鐵路快速發展的今天，轉向架構架作為支撐車體、轉向和制動的關鍵部件，直接關系到行車安全[11]。轉向架焊接接頭數量多、組成復雜，各部件焊接完成后均需磨削加工來達到其表面形貌和質量的要求。本研究通過對不同打磨工藝打磨后的轉向架焊接接頭表面微觀組織觀察、硬度測試研究高速磨削中粗磨和精磨對于轉向架構架焊接接頭的影響。

1 試驗材料和方法

試驗材料為SMA490BW耐候鋼轉向架橫梁構架，JISG3114-2008規定的主要化學成分和力學性能分布如表1、表2所示。構架焊縫為多層多道MAG焊。

表1 SMA490BW鋼主要化學成分％

表2 SMA490BW鋼主要力學性能

對完成焊接后的構件焊縫依次進行柔性砂帶自動打磨（粗磨）和無齒盤磨削（精磨），磨削工藝如表3所示。

表3 磨削工藝參數

打磨完成后，采用激光共聚焦顯微鏡分析表面形貌，采用蔡司顯微鏡分析近打磨面截面金相組織、近打磨面顯微硬度梯度和打磨表面顯微硬度。

2 試驗結果和分析

2.1 表面形貌

粗磨表面和精磨表面的微觀形貌三維圖像如圖1所示。經過柔性砂帶打磨，表面凹凸不平十分明顯，存在較多寬度較大的溝槽及隆起；線掃描結果顯示，打磨表面有較多針狀的凸起，這些凸起可能是打磨過程中，金屬未被切削去除，而后被擠壓形成的。經過無齒盤精磨后，表面明顯變得平整，針狀凸起也明顯減少，表面狀態十分良好。Salomn曲線如圖2所示。由圖2可知，粗磨后表面高度差為76μm，精磨后表面平整度提高，高度差為56 μm。經過粗磨和精磨的表面均沒有出現打磨裂紋。

圖1 表面形貌比較

圖2 Salomon曲線

掃描結果中粗糙度值Ra的變化比較如表4所示，精磨后表面的各類粗糙度特征值均有了較大幅度的降低。

表4 表面粗糙度Ra比較

無齒盤打磨齒數比柔性砂帶顆粒致密，同時高速磨削的線速度使單位時間內參與磨削的磨粒數增加，減小單顆磨粒負荷，減小材料表面的塑形變形和犁溝兩側塑性隆起，提高表面平整度，減小粗糙度。

2.2 金相組織及分析

粗磨和精磨后近打磨面的金相組織如圖3a所示。近打磨面的組織由柱狀晶組成，晶界分布有較多先共析鐵素體，晶內為針狀鐵素體和片狀珠光體組成，部分區域能夠觀察到針狀貝氏體。值得注意的是，從表面到內部組織并沒有發生變化，近表層無淬硬組織或回火組織出現。

圖3 近打磨面微觀組織

由于砂帶與工件接觸時同時投入磨削的磨粒較多且鋒利，材料去除快；磨粒之間分布的空隙以及磨粒與空氣接觸時間均可促進磨削熱擴散，使磨削溫度降低；根據Salomon理論[12]，由圖2可知，當切削速度超過某一臨界值越過普通磨削達到高速磨削時，切削溫度會隨切削速度的增加而下降。對于一般強韌（如鋁合金、合金鋼等）及硬脆性材料（如工程陶瓷），其高速磨削速度為45～150 m/s[5]，采用無齒盤磨削時，由工藝參數可知其線速度60m/s，為高速磨削，可以獲得較低的磨削溫度。通過紅外測溫儀測出砂帶打磨和無齒盤打磨的溫度均與室溫相同，與分析一致，由此表明磨削溫度較低，未達到回火溫度。

2.3 顯微硬度分析

試驗采用500 gf。從打磨面往內部2 mm范圍內的顯微硬度分布梯度如圖4所示，硬度分布均在焊縫區。未打磨試樣表面硬度存在較大波動，硬度值不穩定，而經過打磨后，試樣從表面往心部硬度保持在200 HV，沒有出現明顯梯度變化，且精磨后的硬度更加穩定，總體與未打磨試樣接近，說明兩種打磨工藝條件下，表面沒有出現明顯的硬化現象。一般情況下，被加工表面產生塑性變形，使晶格滑移、畸變和扭曲，晶粒被拉長呈纖維化，甚至碎化。這些都使表面層強度、硬度增加，塑性下降，出現加工硬化。從試樣微觀組織來看，被磨削表面晶粒并未產生明顯的拉長纖維化或者碎化，說明在磨削深度符合上述工藝參數時，被加工表面的塑性變形程度較小，沒有出現明顯的加工硬化現象。

圖4 硬度分布曲線

3 結論

（1）無齒盤磨削后表面平整度比柔性砂帶粗磨更良好，粗糙度降低，兩種方法磨削后表面完整性較好，均無打磨裂紋出現。

（2）金相組織分析顯示，兩種打磨工藝均未造成近打磨面的組織改變，未出現淬硬組織或回火組織。

（3）通過硬度測試發現，未打磨試樣表面硬度存在較大波動，硬度值不穩定，而經過打磨后，試樣從表面往心部硬度保持在約200 HV，沒有出現明顯梯度變化，且精磨后的硬度更加穩定，總體與未打磨試樣接近，兩種打磨工藝條件下從表面到心部沒有出現明顯的加工硬化現象。

[1]周德旺.平面磨削溫度差的研究[D].長沙：湖南大學，2008.

[2]榮烈潤.高速磨削技術的現狀及發展前景[J].機電一體化，2003（1）：6-10.

[3]陳建毅，鄭祝堂，徐西鵬.高速磨削難加工材料的研究進展[J].工具技術，2011（45）：15-20.

[4]盧春強.超高速磨削機理的研究[D].上海：東華大學,2007.

[5]程澤.單顆磨粒高速磨削鎳基高溫合金機理研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[6]李浙昆，樊瑜瑾，余貴華.砂輪磨粒尺寸及形狀對磨削加工的影響[J].磨床與磨削，1999（1）：37-39.

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[8]徐慧.硬質合金高速磨削溫度的有限元仿真研究[D].長沙：湖南大學，2012.

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[12]左敦穩，黎向鋒，趙劍鋒.現代加工技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

Effects of high speed grinding on microstructure and properties of SMA490BW steel welded joint for bogie

HAN Yongfeng1，WU Xiangyang1，LIU Yue2，FU Zhenghong2
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

High-speed grinding is used in many fields because it can solve the problems caused by the hot Groove.The welded joints of the bogie are tested after grinding by flexible abrasive belt and gearless disc.The results show that grinding decreases the roughness and increases the flatness of the surface.Quenched structure or tempering structure does not appear，and there is no work hardening.

high-speed grinding；bogie；welded joint

TG406

A

1001-2303（2015）08-0011-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.03

2015-05-14；

2015-07-15

韓永峰（1966—），男，山東棲霞人，高級工程師，主要從事鋁合金、不銹鋼和碳鋼車體生產制造工藝技術管理和研發工作。