Zr-4合金具有優(yōu)異的核性能，它的熱中子俘獲截面小，耐輻照性能好，在300~400℃高溫高壓水和水蒸汽中有很好的抗腐蝕性能，結(jié)合它優(yōu)良的力學(xué)性能和機(jī)械加工性能，使其成為核動(dòng)力壓水堆和石墨水堆極為理想的燃料元件包殼材料和結(jié)構(gòu)材料[1-3]。因此，鋯管加工質(zhì)量的高低是核反應(yīng)堆能否安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

       熱擠壓是鋯合金管材生產(chǎn)中最常使用的制備空心管坯的加工方式，用這種方法制備的管坯不僅壁厚尺寸和內(nèi)表面質(zhì)量難以保證，而且此種加工方式對(duì)金屬和工模具的損耗較大[４]， 一旦潤(rùn)滑劑使用不當(dāng)或潤(rùn)滑效果沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，管坯外表面上往往會(huì)有大量的凸出于表面的棱狀縱向條紋和表面坑狀缺陷，同時(shí)整個(gè)管坯外表面被一層致密的氧化膜所覆蓋。工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率并使鋯合金獲得細(xì)小的內(nèi)部組織，從而獲得良好的力學(xué)性能，熱擠壓管坯的尺寸往往都比較大。由于成品包殼管壁厚尺寸普遍在0.3~0.7mm之間，對(duì)合金內(nèi)部組織和管件內(nèi)外表面粗糙度要求極高。因此，為了保證包殼管的冷加工和真空退火質(zhì)量，Zr-4合金管坯在進(jìn)入包殼管生產(chǎn)廠之前必須要對(duì)其內(nèi)外表面做相應(yīng)的處理以除去內(nèi)表面的擠壓缺陷和油污，外表面的致密氧化膜、棱狀條紋以及坑狀瑕疵等宏觀缺陷，并達(dá)到規(guī)定的管坯壁厚和表面粗糙度。目前國(guó)內(nèi)主要引進(jìn)美國(guó)金剛石深孔珩磨技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Zr-4合金管坯內(nèi)表面缺陷的修磨和幾何尺寸的精整，修磨后的內(nèi)表面粗糙度可達(dá)Ra0.32μm，但此法在提高管件壁厚等幾何精度方面的能力有限，管坯壁厚主要依賴于對(duì)外表面的機(jī)械修磨來(lái)加以保證。

       砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光等多重作用，磨削效率高，磨削表面質(zhì)量好，磨削工藝靈活性大、適應(yīng)性強(qiáng)等磨削加工性能，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋯管外表面的精整加工[5-8]。國(guó)外核電技術(shù)先進(jìn)國(guó)家目前主要采用砂帶磨削技術(shù)對(duì)鋯管管坯外表面進(jìn)行修磨處理。在國(guó)內(nèi)，盡管應(yīng)用砂帶磨削技術(shù)的歷史較長(zhǎng)，但發(fā)展遲緩，鋯合金燃料包殼磨削技術(shù)長(zhǎng)期依賴受制于國(guó)外，一直沒(méi)有能夠適用于核電鋯管精度要求的國(guó)產(chǎn)自動(dòng)砂帶磨床設(shè)備及配套工藝[9]。

       通過(guò)3種磨料同種粒度的砂帶采用不同工藝對(duì)Zr-4管坯進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，分析了砂帶線速度、接觸輪硬度等工藝參數(shù)對(duì)工件表面材料去除率、工件表面粗糙度和砂帶磨粒磨損情況的影響。探究了核電鋯管管坯砂帶修磨工藝， 給出了Zr-4合金管砂帶磨削較優(yōu)推薦工藝參數(shù)，旨在為Zr-4合金管尋求高效、高質(zhì)的磨削加工工藝方面提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

       １　磨削工藝實(shí)驗(yàn)研究

       1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

       鑒于在恒進(jìn)給磨削過(guò)程中由于管材形狀誤差的原因鋯管壁厚容易出現(xiàn)超負(fù)差的現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)是在如圖１所示的數(shù)控砂帶隨形外圓修磨機(jī)上進(jìn)行的。該機(jī)床配備了伺服數(shù)控系統(tǒng)和壁厚在線檢測(cè)系統(tǒng)，能夠根據(jù)待加工工件的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)控編程進(jìn)而控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，在加工過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)能夠同時(shí)接收檢測(cè)系統(tǒng)接收到的壁厚實(shí)時(shí)信號(hào)，并經(jīng)分析處理后通過(guò)反饋控制浮動(dòng)抬刀機(jī)構(gòu)的輸出壓力來(lái)加厚或者減薄磨削層的厚度，從而使磨頭的位移曲線與鋯管表面的輪廓曲線有較高的相似性和同步性。此外，也可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)彈簧支撐機(jī)構(gòu)來(lái)大幅調(diào)節(jié)磨頭與工件之間的接觸壓力，以適應(yīng)對(duì)不同管徑尺寸加工的要求。
       1.2　實(shí)驗(yàn)條件
       該實(shí)驗(yàn)采用順磨方式，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。
       Zr-4合金管坯在進(jìn)行外表面砂帶修磨之前已經(jīng)過(guò)矯正、切端和管內(nèi)表面修磨、去毛刺和清洗等預(yù)處理。內(nèi)表面的尺寸、公差和表面粗糙度均已達(dá)到技術(shù)協(xié)議規(guī)定的質(zhì)量要求。

       2　實(shí)驗(yàn)方法

       實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，測(cè)試砂帶修磨Zr-4合金管過(guò)程中影響管件表面材料去除率、表面粗糙度和砂帶磨粒磨損情況的主要因素，然后分析不同條件下砂帶修磨Zr-4合金管坯的質(zhì)量情況。
       1）在法向磨削壓力Fn不變的情況下，改變砂帶線速度Vs（6~18m/s），對(duì)管件進(jìn)行磨削，測(cè)量管件磨削前后質(zhì)量的變化情況和表面粗糙度Ra值，計(jì)算材料去除率；
       2）在砂帶線速度Vs不變的情況下，改變法向磨削壓力Fn（500~1200N），對(duì)管件進(jìn)行磨削加工，測(cè)量管件磨削前后的質(zhì)量變化情況和表面粗糙度Ra值，計(jì)算材料去除率；

       3）在磨削壓力Fn和砂帶線速度Vs均不變的情況下，更換不同硬度的接觸輪，測(cè)量管件磨削前后的質(zhì)量變化情況和表面粗糙度Ra值，計(jì)算材料去除率；

       4）改變砂帶磨料種類(lèi)，采用碳化硅、鋯剛玉和氧化鋁磨料砂帶作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量管件磨削前后的質(zhì)量變化情況和表面粗糙度Ra值，計(jì)算材料去除率，對(duì)比不同磨料的磨削效果；

       5）采用多因素正交實(shí)驗(yàn)方法綜合研究砂帶線速度、磨削壓力、接觸輪硬度和工件進(jìn)給速度對(duì)Zr-4合金管坯砂帶修磨質(zhì)量的影響規(guī)律。

       3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

       3.1　材料去除率的影響因素研究

       3.1.1　砂帶線速度對(duì)材料去除率的影響
 
       實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn) 當(dāng)砂帶線速度超過(guò)20m/s時(shí)，由于磨削熱的原因鋯管表面在三個(gè)工作行程內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，而此時(shí)工件的表面粗糙度和尺寸精度均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了探究在有效砂帶線速度下，工件表面材料去除率隨砂帶線速度Vs的變化規(guī)律，筆者取定Vs在（6~18）m/s的范圍內(nèi)變動(dòng)。
       圖２為磨削壓力Fn＝500N時(shí)，不同的砂帶線速度與標(biāo)準(zhǔn)材料去除率Z′w的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，砂帶線速度提高后的直接效果就是材料去除率Z′w的增加，但當(dāng)Vs超過(guò)某一臨界值時(shí)，Z′w就會(huì)迅速下降。

       前期材料去除率增加的主要原因是砂帶線速度增加使單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)量增加，并且高速條件下的鈍化磨粒同樣具有較強(qiáng)的切削能力，所以材料去除率增加；后期材料去除率減小是因?yàn)椴粩嘣黾拥哪ハ魉俣仁箯椥陨皫系哪チＪ芄ぜ砻娴姆礇_擊頻率增大，彈性砂帶退讓也增大，引起了砂帶磨粒切刃實(shí)際切入深度減小。只有當(dāng)以上兩種因素的影響處于相對(duì)平衡時(shí)，材料去除率達(dá)到最大值。

       為了獲得較高的修磨效率即材料去除率，不同磨料砂帶均存在各自最佳的線速度值， 碳化硅磨料砂帶線速度值約為14m/s，鋯剛玉磨料砂帶約為12m/s時(shí)，氧化鋁磨料砂帶約為16m/s。

       3.1.2　磨削壓力對(duì)材料去除率的影響

       圖3為砂帶線速度為10m/s時(shí)，Z′w隨磨削壓力Fn的變化曲線。由圖可知，隨磨削力Fn的增加，Z′w有一個(gè)較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著磨削壓力的增加，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的單顆磨粒平均載荷增加，切入工件更深，材料去除更多。

       但磨削壓力并不是越大越好，由于管件的修磨采用無(wú)心外圓磨削的方式，壓力越大，磨頭系統(tǒng)對(duì)工件形位誤差的敏感性增強(qiáng)，機(jī)床振動(dòng)加劇，磨粒破碎加快，脫落嚴(yán)重，砂帶切削能力受到很大的制約，材料去除率反而會(huì)下降；壓力增大，磨削區(qū)溫度急劇升高，工件很容易燒傷。實(shí)驗(yàn)中筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨削壓力為650N左右時(shí)， 工藝系統(tǒng)穩(wěn)定，且能獲得較高的材料去除率，同時(shí)又不會(huì)燒傷工件。
       3.1.3　磨料種類(lèi)對(duì)材料去除率的影響

       不同種類(lèi)的磨粒不論在微觀結(jié)構(gòu)、抗破碎性、磨損機(jī)理以及與被加工材料的親和性等方面都會(huì)表現(xiàn)出極大的差異性，因此磨料種類(lèi)不同，材料去除率能力和砂帶使用壽命各不相同[10]。由圖2和圖3可知，同等條件下，鋯剛玉砂帶比碳化硅砂帶的相對(duì)金屬切除率高20%左右，比氧化鋁砂帶提高45%以上，這是因?yàn)殇唲傆竦挠捕嚷源笥谔蓟璨⑦h(yuǎn)高于氧化鋁，機(jī)械強(qiáng)度高，性脆而鋒利，磨粒即時(shí)破裂后可形成新的鋒刃，切削能力強(qiáng)。然而砂帶磨削產(chǎn)生的磨屑是一些形狀各異的微細(xì)顆粒，微細(xì)顆粒在脫離磨削區(qū)的瞬間會(huì)吸收大量的熱能，這些熱量足以使它與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成鋯的氧化物。 鋯剛玉是以氧化鋁、氧化鋯為原料在電弧爐中經(jīng)高溫冶煉而成，而這兩種材料成分的晶格結(jié)構(gòu)與磨屑氧化物的相同，二者的親和性極強(qiáng)。因此隨磨削時(shí)間延長(zhǎng)，無(wú)論是鋯剛玉磨料砂帶還是氧化鋁磨料砂帶均會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象。碳化硅磨粒與鋯合金的親和力遠(yuǎn)不如氧化鋁和鋯剛玉磨粒強(qiáng)，因而磨屑在磨粒上的粘附力不強(qiáng)，砂帶的粘附不像剛玉類(lèi)砂帶那樣嚴(yán)重。

       3.2 Zr-4合金包殼管表面粗糙度的影響因素

       Zr-4合金管的表面粗糙度在很大程度上影響其耐腐蝕性能。管件表面越粗糙，越易使腐蝕性氣體或液體通過(guò)表面的微觀凹谷滲入到金屬內(nèi)層，造成其表面腐蝕。因此，減小零件表面粗糙度值，可以有效提高零件的耐腐蝕性能。管件外壁磨削表面的創(chuàng)成過(guò)程是砂帶磨粒在工件表面的微量切削而形成的累積效應(yīng)，加工過(guò)程中影響工件表面粗糙度的因素眾多，磨削過(guò)程的物理關(guān)系難以精確表述[11-12]。

        3.2.1　接觸輪硬度對(duì)Zr-4合金鋯管表面粗糙度的影響

       接觸輪越軟，相同磨削壓力的情況下接觸輪的變形程度越大，與工件的接觸面積越大。與此同時(shí)，磨削區(qū)中參與磨削的砂帶的變形程度較大，砂帶變形的直接結(jié)果就是磨粒會(huì)向砂帶變形程度最大的地方傾斜，從而改變加工過(guò)程中磨粒的切削方向。如圖4磨削區(qū)兩側(cè)的磨粒集中向磨削區(qū)的中部?jī)A斜，只有單側(cè)的磨粒切刃會(huì)以其較大的負(fù)前角參與到對(duì)工件的切削過(guò)程當(dāng)中，而相對(duì)一側(cè)的磨粒則主要在工件表面起到擠壓、滑擦以及初步耕犁的作用，只有少數(shù)變形較小的磨粒切刃能夠切除材料，由于材料去除率小，工件表面粗糙度值能夠達(dá)到較低的水平。若接觸輪的硬度越大，其變形越小，與工件的接觸面積越小，雖然磨粒與工件實(shí)際接觸時(shí)間ts變小 但單顆磨粒對(duì)工件的壓力變大，有效切削深度增大，因而切除率也越高，磨削精度較高，但加工表面粗糙度卻相應(yīng)地增大。
       同樣，接觸長(zhǎng)度的大小在很大程度上影響磨削溫度的高低，接觸長(zhǎng)度增加時(shí)，冷卻液難以進(jìn)入接觸區(qū)，通過(guò)冷卻液帶走的熱量則顯著減少。同時(shí)，接觸長(zhǎng)度增大，工件熱傳遞的路徑增長(zhǎng)，磨削區(qū)的熱量很難散發(fā)出來(lái)，引起磨削區(qū)溫度升高。
接觸輪硬度不同的情況下，管坯表面粗糙度隨磨削時(shí)間ts的變化曲線如圖5所示。
       實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合，磨削時(shí)間一定的情況下，接觸輪硬度越高工件表面粗糙度越高，硬度越低，工件表面粗糙度越低。為了既能保證工件砂帶磨削的尺寸精度又能獲得較為理想的表面質(zhì)量，同時(shí)盡量延長(zhǎng)設(shè)備維護(hù)周期，接觸輪硬度的選擇要適中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸輪硬度為70HS時(shí)，磨削質(zhì)量完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

       3.2.2　磨削壓力對(duì)Zr-4合金管表面粗糙度的影響

       如圖6所示，表面粗糙度隨著磨削壓力的增加而降低。當(dāng)磨削壓力較小時(shí)，降低的較快；當(dāng)磨削壓力較大時(shí)，降低變得緩慢。表面粗糙度值的降低直接與參與磨削的磨粒數(shù)（The Number of Grains）和磨粒的形狀有關(guān)。NG隨著磨削壓力的增加而增加，然而，磨粒的形狀一方面與接觸壓力有關(guān)，另一方面與磨削時(shí)間有關(guān)。當(dāng)磨削壓力大時(shí)，磨粒的快速磨損使表面粗糙度降低的緩慢。但壓力的增大，會(huì)使磨粒的激振頻率升高，使振動(dòng)加劇，磨粒脫離嚴(yán)重，NG減小。

       在較小的磨削壓力下，磨削時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)的比磨削時(shí)間短的表面粗糙度要好。這是因?yàn)樵谳^小的磨削壓力下，磨粒的磨損率較小，并且能保持較長(zhǎng)時(shí)間的切削性，磨削時(shí)間長(zhǎng)可以對(duì)表面多次磨削，使表面粗糙度值降低，但磨削效率會(huì)下降。然而在大的磨削壓力下，最終表面粗糙度值的大小與磨削時(shí)間的關(guān)系不明顯。
       3.3　砂帶磨損研究

       3.3.1　磨粒磨損量實(shí)驗(yàn)分析

       砂帶磨削過(guò)程中包括諸多不同形狀磨粒的切刃對(duì)工件表面產(chǎn)生的綜合切削，由于磨粒的形狀不規(guī)則，并且是隨機(jī)的分布在砂帶上，使得磨粒的磨損機(jī)理非常復(fù)雜[13]。

       為了探尋磨削過(guò)程中砂帶磨損的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)采用直接測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量每次進(jìn)給后砂帶同一標(biāo)記位置處的實(shí)際厚度值來(lái)計(jì)算砂帶磨粒高度的變化情況。圖7為采用不同磨削參數(shù)時(shí)砂帶磨損量隨時(shí)間的變化曲線。

       在相同加工質(zhì)量的前提下，采用不同的磨削參數(shù)組合時(shí)砂帶初期磨損的時(shí)間基本相同?？梢?jiàn)，砂帶初期磨損時(shí)間的長(zhǎng)短是砂帶線速度、磨頭進(jìn)給速度和磨削壓力共同作用的結(jié)果。磨削壓力直接影響參與磨削的磨粒數(shù)量，壓力過(guò)小砂帶初期磨損時(shí)間加長(zhǎng)，若過(guò)大會(huì)造成磨粒過(guò)載，出現(xiàn)大面積磨粒脫落現(xiàn)象。進(jìn)給速度的增大將增大施加在單顆磨粒上的沖擊載荷，突出于砂帶表層的磨粒會(huì)在力的作用下崩脆甚至脫落。

       砂帶磨粒初期磨損高度隨砂帶線速度和磨削壓力的增大而增加。為了分擔(dān)負(fù)荷，使單顆磨粒不會(huì)因過(guò)載而脫落，同時(shí)參與磨削的磨粒數(shù)量必須隨之增加。對(duì)于恒壓磨削來(lái)說(shuō)，增大磨削壓力是最直接有效的方法。為了限制因磨削壓力增大而造成磨削溫度上升從而影響管件表面的修磨質(zhì)量，磨削參數(shù)的選擇必須要在綜合考慮磨粒磨損和管件表面質(zhì)量中尋求平衡。

       3.3.2　砂帶磨損表面形貌研究

       磨料的微結(jié)構(gòu)和使用條件對(duì)砂帶磨粒的具體磨損形式和演變過(guò)程影響很大[14]。為了提高砂帶使用壽命和增加材料去除率，從微觀角度來(lái)研究不同種類(lèi)磨料的磨粒磨損形式，進(jìn)而分析砂帶磨損的變化規(guī)律[15]。

       砂帶磨粒在與Zr-4合金的交互作用過(guò)程中，主要以磨耗磨損和粘附磨損為主。初期磨損主要以磨耗磨損為主，Zr-4合金塑性好，隨著磨料與Zr-4合金的交互作用的加劇，接觸區(qū)的磨削熱會(huì)迅速積聚，合金表面及磨屑被瞬間氧化，接近熔融狀態(tài)的切屑會(huì)粘焊在磨粒尖刃上，粘附磨損所占的比例會(huì)顯著增加。同時(shí)大量的磨屑會(huì)堵塞砂帶磨粒間的容屑空間，導(dǎo)致磨削阻力增加，進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的粘附磨損材料去除率明顯下降。
       圖8（a）~（c）分別為碳化硅磨料、鋯剛玉磨料和氧化鋁磨料與Zr-4合金發(fā)生交互作用后的磨損情況，從圖8（b）、（c）可以清晰看到Zr-4合金材料的切屑粘焊在磨粒尖刃上，發(fā)生了粘附磨損。鋯合金氧化物與氧化鋁在微觀上有著相同的晶格結(jié)構(gòu)，二者親和性極強(qiáng)，會(huì)生成韌性更強(qiáng)的新物質(zhì)粘附在切刃上，從而使磨削能力嚴(yán)重惡化甚至喪失，而且磨粒越細(xì)小，這種現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重，這就是導(dǎo)致細(xì)粒度含氧化鋁磨料難以長(zhǎng)久切削Zr-4合金材料的本質(zhì)原因。

       對(duì)比圖8（a）可以看出碳化硅磨料在與Zr-4合金材料發(fā)生交互作用后，其磨粒的磨損始終以磨耗磨損為主，磨粒上幾乎沒(méi)有粘結(jié)物的存在。
       3.4　Zr-4合金砂帶修磨表面微觀形貌分析

       從圖9（a）中可以看出，經(jīng)砂帶修磨后的Zr-4合金管的表面上，存在著粗細(xì)相間的溝槽狀塑性磨削劃痕，溝痕兩邊的金屬滑移隆起突出，磨削紋路清晰且較為完整。在磨削表面粗糙度Ra值較大的情況下，溝槽劃痕較深，微細(xì)的磨料顆粒和磨屑會(huì)嵌入其中。如圖（b），當(dāng)Ra值較小時(shí)，溝痕較淺且寬度均勻，內(nèi)部基本上沒(méi)有粘附物。圖（c）為合金表面燒傷微觀形貌圖，圖中工件表面的磨削紋路尚可分辨，但溝痕中填滿了大量的灰黑色斑狀凸起物， 經(jīng)Ｘ射線能譜儀分析后筆者發(fā)現(xiàn)凸起物中含有O、Al、Si和Zr等元素。

       進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)Zr-4合金表面燒傷層由涂覆層、氧化層和污染層三層組成。涂敷層主要由Zr的氧化物、碳化物、Si或Al的氧化物等組成，它們以片狀或球狀的形式隨機(jī)熔覆在工件表面，該層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)以晶體形式存在的Zr，氧化層由Zr的氧化物組成，主要是ZrO2，也有少量的ZrOn（n≤0.5）；基體和氧化層之間的過(guò)渡層稱(chēng)為污染層，該層中晶體Zr和氧化鋯共存，氧以氧化物和氣體過(guò)飽和間隙固溶體的形式存在，其含量隨深度的增加而減少。過(guò)度層以片狀或塊狀的金相形式存在，與基體有明顯的分界面，其厚度與燒傷程度密切相關(guān)，燒傷越重，厚度越大。

       為了盡可能的降低由于砂帶修磨對(duì)管件表面耐腐蝕性能的損害，砂帶磨料粒度不易太小，修磨結(jié)束后應(yīng)充分清洗烘干管件內(nèi)外表面。

       4　磨削工件表面顯微硬度分析

       在砂帶磨削過(guò)程中由于磨粒的滑擦、耕犁和切削作用，鋯管管坯外表面發(fā)生了較為劇烈的塑性變形，金屬內(nèi)各滑移系之間位錯(cuò)的相互作用以及缺陷的形成，共同引起了位錯(cuò)的塞積， 使變形阻力大大增加，從而使晶體產(chǎn)生加工硬化，此外，微細(xì)的片狀及顆粒狀鋯合金的化學(xué)活性極高，在磨削高溫的作用下極易與大氣中的氧、氮等發(fā)生氧化反應(yīng)，從而在工件表面形成污染層；此外氧、碳和氮等元素會(huì)滲入到Zr-4合金表層，形成氣體過(guò)飽和間隙固溶體，這些均會(huì)使Zr-4合金砂帶磨削表面的硬度提高[16]。

       磨削過(guò)程中，鋯合金的熱敏感性較大，極易發(fā)生磨削燒傷，即工件表面變黑或出現(xiàn)魚(yú)鱗狀褶皺和塑性流變涂覆層。燒傷是工件基體材料在熱影響下向表面擴(kuò)散而被吸附進(jìn)去的氧氮等氧化而形成的一層氧化膜，產(chǎn)生燒傷的工件表面，發(fā)生了急劇的塑性變形，表面層內(nèi)晶粒破碎、晶體畸變、燒傷層的顯微硬度也發(fā)生變化。磨削燒傷會(huì)破壞工件表層組織，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生表面裂紋，致使工件表面質(zhì)量惡化，嚴(yán)重地影響工件的強(qiáng)度及使用價(jià)值。
       由圖10所示的顯微硬度變化曲線可知Zr-4合金修磨過(guò)程中，燒傷表面層的硬度變化和未燒傷表面層的顯微硬度變化規(guī)律有著較大差異，燒傷表面次表層有一層約為150μm左右的軟化層。另外，磨削表層顯微硬度變化深度h隨燒傷程度的增加而增加，表面輕微燒傷時(shí)h約為175μm，表面嚴(yán)重?zé)齻麜r(shí)，h約為250μm。

       5　結(jié)　論

       1）砂帶線速度Vs和法向磨削壓力Fn是影響鋯合金砂帶磨削材料去除率的主要因素。雖然二者的增大均能使材料去除率得到較大的提高，但同時(shí)也會(huì)使磨削溫度迅速上升。在不致引起表面燒傷的情況下，為了提高管件的修磨效率，砂帶線速度和磨削壓力應(yīng)分別在8~12m/s和600~700N的范圍內(nèi)選取。

       2）接觸輪的硬度和磨削壓力均會(huì)影響磨削區(qū)中磨粒與加工表面的接觸形式，從而影響材料去除能力和砂帶使用壽命。除此之外，磨粒切削方向的改變，易引起磨粒的振動(dòng)，從而影響工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

       3）Zr-4合金砂帶磨削過(guò)程中，磨粒在與工件接觸時(shí)極易發(fā)生熔敷和粘結(jié)，磨料的化學(xué)磨損和粘附磨損較為嚴(yán)重。帶有粘附物的磨粒在磨削區(qū)高溫高壓下會(huì)將粘附物重新涂附在已加工表面上，進(jìn)一步加劇磨削溫度的上升，造成工件燒傷。

       4）砂帶磨削會(huì)在工件表層產(chǎn)生形變層以及伴有較深劃痕的粗糙表面，這樣會(huì)加速管件的氧化腐蝕。為了提高鋯合金產(chǎn)品的表面粗糙度，避免劃痕存在，采用細(xì)砂帶進(jìn)行機(jī)械修磨是有效手段。

       5）Zr-4合金經(jīng)過(guò)磨削后，其表面發(fā)生了較為明顯的加工硬化，燒傷工件的次表面有軟化層，磨削表層顯微硬度變化深度h隨磨削燒傷程度的增加而增加。

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       作者簡(jiǎn)介：黃云 (1962- ) 男 重慶大學(xué)教授 主要從事機(jī)械制造及砂帶磨削應(yīng)用技術(shù)方向研究 (E-mail) yunhuang@samhada.com