宋小勇, 程亞南

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 檢測(cè)中心物理站, 馬鞍山 243000)

鋼鐵企業(yè)的發(fā)展必然伴隨著新鋼種、新產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)。小批量、多品種、快節(jié)奏已是當(dāng)前市場(chǎng)的特點(diǎn)，在降本增效的大背景下，鋼產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均控制在一定的范圍之內(nèi)，沒(méi)有過(guò)多的富余量，因此，對(duì)性能測(cè)試試樣加工精度、取樣位置的要求也比較高。原來(lái)的手動(dòng)操作機(jī)床取樣和人工測(cè)量，及附加一些數(shù)控機(jī)床的二次加工的加工形式，已越來(lái)越不適應(yīng)目前準(zhǔn)確、快節(jié)奏、短周期的工作要求，且之前采用鱷魚(yú)剪剪切厚規(guī)格H型鋼拉伸試樣時(shí)，會(huì)使試樣產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化，導(dǎo)致試樣抗拉強(qiáng)度偏高。數(shù)控高速鋸床可以實(shí)現(xiàn)取樣位置的自動(dòng)定位，且可以實(shí)現(xiàn)一步成形，減少工序。為使數(shù)控高速鋸床可以加工H型鋼拉伸試樣，筆者對(duì)D-450H型數(shù)控高速鋸床[1]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)程序段進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)[2],驗(yàn)證此工藝加工出的H型鋼拉伸試樣是否滿足要求。

1 程序段設(shè)計(jì)

D-450H型數(shù)控高速鋸床程序段設(shè)計(jì)前期需要根據(jù)鋼的種類(lèi)和規(guī)格選擇要使用的圓盤(pán)刀具，通過(guò)確定圓盤(pán)刀具的齒形及齒數(shù)進(jìn)行分類(lèi)劃分，此外，可靠的夾持是保證試樣加工精度的關(guān)鍵。筆者選擇幾個(gè)程序段設(shè)計(jì)并注解。

1.1 程序段3確定取樣位置

當(dāng)程序執(zhí)行“工作臺(tái)定位”功能后，工作臺(tái)按照在觸摸屏上設(shè)定的定位距離向后側(cè)定位板方向產(chǎn)生位移；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的位置后，工作臺(tái)停止位移并觸發(fā)定位板伸出，此時(shí)就完成了“工作臺(tái)定位”；此時(shí)工作臺(tái)所對(duì)應(yīng)的位置即是工藝上要求的從毛坯取樣的位置。程序段3示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 程序段3確定取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of program segment 3 determinesampling location

1.2 程序段6進(jìn)行第一次鋸切加工

鋸片沿X軸按照設(shè)定的速度和鋸切長(zhǎng)度進(jìn)行鋸切加工，同時(shí)啟動(dòng)“霧化潤(rùn)滑泵”和利用M503.7觸發(fā)變頻器比較實(shí)際電流和正常的工作電流；當(dāng)鋸片鋸切到達(dá)鋸切長(zhǎng)度后，會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，變頻器停止對(duì)電流的比較。程序段6示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 程序段6進(jìn)行第一次鋸切加工示意圖Fig.2 Schematic diagram of program segment 6 performsthe first sawing

1.3 程序段7避讓試樣

當(dāng)?shù)谝淮武徢屑庸そY(jié)束后，M600.5觸點(diǎn)會(huì)閉合，此時(shí)工作臺(tái)會(huì)向外側(cè)移動(dòng)一個(gè)“避讓安全距離”，從而避免“工件已加工表面”與鋸片產(chǎn)生二次接觸，保證工件已加工表面粗糙度滿足要求；當(dāng)工作臺(tái)完成避讓安全距離后，程序會(huì)關(guān)停“霧化潤(rùn)滑泵”(可減少切削油的無(wú)謂損耗)及停止“鋸片的轉(zhuǎn)動(dòng)”(可減少鋸片與鋸切后的料頭產(chǎn)生劇烈碰撞)。程序段7示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 程序段7避讓試樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of program segment 7 avoid sample

1.4 程序段10終止鋸切

當(dāng)鋸片鋸切阻力變大時(shí)，會(huì)促使變頻器的電流變大，當(dāng)大于設(shè)定的參考值時(shí)，會(huì)使“變頻器過(guò)電流-中間變量”觸點(diǎn)置位；當(dāng)“變頻器過(guò)電流-中間變量” 觸點(diǎn)置位后，會(huì)使X軸終止鋸切進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并觸發(fā)鋸片沿X軸向原點(diǎn)O位置運(yùn)動(dòng)(即鋸片終止鋸切并退回到工件外側(cè))，起到保護(hù)作用；當(dāng)鋸片到達(dá)X軸原點(diǎn)后，會(huì)終止當(dāng)前的所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，消除所有的報(bào)警。程序段10示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 程序段10終止鋸切示意圖Fig.4 Schematic diagram of program segment 10terminate sawing

1.5 程序段11進(jìn)行第二次鋸切加工

當(dāng)鋸片到達(dá)第二鋸的“鋸切起點(diǎn)”后置位M601.1觸點(diǎn)，鋸片沿X軸按照設(shè)定的速度和鋸切長(zhǎng)度進(jìn)行第二鋸的鋸切加工，同時(shí)啟動(dòng)“霧化潤(rùn)滑泵”和利用M503.7觸發(fā)變頻器比較工作電流；當(dāng)鋸片鋸切到達(dá)鋸切長(zhǎng)度后，會(huì)終止當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉冷卻泵并取消變頻器對(duì)電流的比較。程序段11示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 程序段11進(jìn)行第二次鋸切加工示意圖Fig.5 Schematic diagram of program segment 11 performsthe second sawing

2 試樣機(jī)加工與拉伸試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性

制樣是通過(guò)剪、鋸、車(chē)、銑、刨和磨等機(jī)加工方式將材料加工成符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，但又不能因機(jī)加工而破壞材料的真實(shí)性能,其總原則是不要因機(jī)加工使試樣受熱或冷加工硬化而影響材料的性能,而且加工的精度一定要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求[3-4]。機(jī)加工精度會(huì)直接影響力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果,以H型鋼翼緣拉伸試驗(yàn)為例，主要有如下幾個(gè)方面。

(1) 試樣剪切過(guò)程中，當(dāng)樣坯厚度過(guò)厚時(shí)，剪切會(huì)使試樣發(fā)生冷加工硬化，使得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，厚度大于20 mm的樣坯進(jìn)行剪切時(shí)均會(huì)使試樣發(fā)生微量冷加工硬化。

(2) 機(jī)加工試樣表面粗糙度與拉伸試驗(yàn)結(jié)果有相關(guān)性,特別是對(duì)于塑性較差的材料，一般隨表面粗糙度的增加, 材料的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)下降，強(qiáng)度和塑性都有所降低。

(3) 拉伸試樣的形狀公差如果偏差過(guò)大，會(huì)使試樣頭部容易斷，影響斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)量結(jié)果。

3 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用牌號(hào)為Q235的H型鋼,尺寸有800 mm×300 mm×14 mm×27 mm和400 mm×200 mm×8 mm×13 mm兩種，其翼緣厚度分別為27，13 mm。矩形拉伸試樣及帶肩拉伸試樣分別取自同一軋制批號(hào)的H型鋼樣坯的翼緣1/6處，矩形拉伸試樣使用兩種加工方式進(jìn)行加工，方法一為使用D-450H型數(shù)控高速鋸床鋸切，方法二為使用鱷魚(yú)剪剪切→端面銑床銑削，均加工成GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，其中矩形拉伸試樣16組，帶肩拉伸試樣8組，然后采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

拉伸試驗(yàn)前對(duì)試樣尺寸進(jìn)行測(cè)量，每根試樣測(cè)量次數(shù)不少于3次，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

表1 翼緣厚度為27 mm的矩形拉伸試樣尺寸及試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Dimensions and test results of rectangular tensile samples with flange thickness of 27 mm

由表1～3可以得到以下結(jié)論。

(1) 加工方式對(duì)試樣寬度尺寸公差、形狀公差[5]的影響。對(duì)于厚板來(lái)說(shuō)，方法一加工出試樣的最大寬度尺寸公差為+0.18 mm，最小為+0.13 mm，平均值為+0.165 mm，最大形狀公差為+0.14 mm，最小為+0.07 mm，平均值為+0.098 mm；方法二加工出試樣的最大寬度尺寸公差為+0.15 mm，最小為+0.05 mm，平均值為+0.095 mm，最大形狀公差為+0.11 mm，最小為+0.07 mm，平均值為+0.09 mm。對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)，兩種加工方式加工試樣的寬度尺寸公差及形狀公差相差更小。總的來(lái)說(shuō)，從尺寸公差、形狀公差兩個(gè)方面考慮，方法二的加工方式在寬度尺寸精度方面較方法一稍精確。但是標(biāo)準(zhǔn)中也給出規(guī)定，如果試樣寬度公差不滿足規(guī)定時(shí)，原始橫截面積可以使用每個(gè)試樣的實(shí)際測(cè)量尺寸計(jì)算得到，實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)中原始橫截面積就是使用實(shí)際測(cè)量尺寸進(jìn)行計(jì)算得到的，所以方法一進(jìn)行試樣加工完全是可行的。

表2 翼緣厚度為13 mm的矩形拉伸試樣尺寸及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Dimensions and test results of rectangular tensile samples with flange thickness of 13 mm

(2) 加工方式對(duì)表面粗糙度[6]的影響。對(duì)于27 mm同等厚度試樣來(lái)說(shuō)，方法一加工的試樣表面粗糙度Ra最小為0.52 mm，最大為0.71 mm；方法二加工的試樣表面粗糙度最小為1.97 mm，最大為2.61 mm。所以，相對(duì)而言方法一加工試樣的表面粗糙度更低。

(3) 加工方式對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的影響。對(duì)于翼緣厚度為27 mm的H型鋼來(lái)說(shuō)，方法二加工所得試樣的屈服強(qiáng)度平均值較方法一加工所得試樣的高11 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值高17 MPa；方法一加工試樣的屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值與表3中帶肩試樣的屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值基本一致，相差2 MPa左右。對(duì)于翼緣厚度為13 mm的H型鋼來(lái)說(shuō)，兩種加工方法加工出的試樣其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相差不大，且屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值與表3中帶肩試樣的屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值基本一致。

表3 帶肩拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果平均值Tab.3 Average values of test results of shoulder tensile samples

(4) 加工方式對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響。對(duì)于翼緣厚度為27 mm的H型鋼來(lái)說(shuō)，方法二加工所得試樣的斷后伸長(zhǎng)率平均值較方法一加工所得試樣的低。翼緣厚度為13 mm的H型鋼，兩種加工方法加工出的試樣斷后伸長(zhǎng)率平均值基本一致。

4 結(jié)論

采用經(jīng)過(guò)程序段設(shè)計(jì)的數(shù)控高速鋸床加工出的H型鋼拉伸試樣在拉伸試驗(yàn)時(shí)基本不會(huì)發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化，尺寸及形狀公差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率與鱷魚(yú)剪剪切試樣的基本一致，但其表面粗糙度更小，平均值僅為0.61 mm，且精度較高。因此，數(shù)控高速鋸床鋸切加工試樣的加工方式更適合于大批量檢驗(yàn)，可以提高檢驗(yàn)效率；此外數(shù)控高速鋸床鋸切加工工藝更適用于厚規(guī)格拉伸試樣的加工，能夠確保檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。