强冷散热对磨削表面残余应力的影响

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残余应力从微观上讲，是因加工后表面层的金属晶格原子间距发生了变化，相对于毗邻表面的里层金属发生伸张或压缩，而受到里层金属的牵制。从宏观上讲，是指在没有应力作用下的物体内部残余着的内应力，它们在各局部之间保持适当的均衡。如果这种均衡受到破坏，物体的形状就会发生变化或在表面产生裂纹。表面残余拉应力会使工件疲劳强度大大降低，耐磨性和耐腐蚀性变差；相反表面残余压应力会使工件的疲劳强度提高。通常磨削加工多作为工件最终工序，磨削后产生的残余应力的性质和大小将直接影响工件的使用性能。 0 e2 `% i+ z* _$ U% Y$ [$ w4 o

1 磨削加工中残余应力的产生

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1. 磨削中表面残余应力的产生
   机加工中工件表面残余应力的产生主要受三个因素的制约：机械力引起的塑性变形、热应力引起的塑性变形和相变引起的体积变化。在机械应力的作用下表面层发生塑性流动和延展现象，而里层金属的弹性恢复变形受到已塑性变形表面金属的牵制，表面产生残余压应力。磨削中产生的工件表面的高温，使表面层进入完全塑性状态，工件冷却后表面层金属收缩受到里层金属的牵制，使表面产生残余拉应力。当砂轮与工件接触区温度达到金属相变温度后，表面组织发生金相组织变化，其表面残余应力的性质，随磨削前后金相组织的变化而变化。已加工表面内残余应力的产生是综合以上几个因素共同作用的结果。
   在一般磨削过程中，比压和摩擦较大，产生的磨削区温度较高。工件表面常常因热塑性变形而产生残余拉应力。对此，有针对性地降低磨削表面的温度，减少由此产生的塑性变形，就能抑制残余拉应力的产生，甚至会产生残余压应力。强制冷却磨削(简称强冷磨削)正是在此理论基础上提出的。
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2. 强冷磨削机理
   针对磨削过程中磨削表面温度较高的情况，使用液氮对加工区域喷注，进行强制冷却。液态氮的温度为-196℃，是化工产业的副产品，无毒、无污染，易获取，是很好的冷却介质。将其喷注在待加工表面，通过氮的挥发可以迅速吸收大量热量，使工件表面温度急剧下降，工件表面遇冷而收缩，工件材料脆性增加，塑性变形减轻。磨削时，表面受到磨粒的切削、熨压、热应力以及强冷收缩的综合作用，里层金属因受挤压而产生弹性变形。磨削后，工件表层因温升使体积膨胀但受里层金属弹性牵制，从而产生残余压应力，通过对比实验发现：如常规磨削后工件表面为拉应力，在强冷磨削条件下，工件表面因强冷作用，已预先收缩，强冷磨削后，则工件表面收缩比常规磨削时的收缩量小，但里层金属仍然产生弹性恢复，因而磨削后工件表面的拉应力减小或出现压应力；如常规磨削后工件表面为压应力，改用强冷磨削后，工件表面因强冷作用，已预先收缩，则解除强冷作用后，工件表现的扩张比常规磨削时的扩张量大，因而磨削后工件表面出现更大的压应力。因此磨削中连续向工件待加工表面区喷注液氮，可抑制磨削热的产生，以期获得表面残余压应力。

2 强冷磨削试验

以下两个不同冷却条件的试验验证都支持了强冷磨削机理。 2 [% I, s5 |0 C8 j

试验1 试件材质为45#钢(退火)，尺寸规格为100×100×15矩形板，磨削用量v_c=1320m/min，v_w=7.2m/min，f=0.3mm/单位行程，a_p= 0.045mm。

试件分三组：

1. 一组常规磨削(用普通磨削液冷却)：
2. 二组强冷磨削(液氮从砂轮前向待加工表面喷注)：
3. 三组强冷磨削(液氮从砂轮后向磨削区表面喷注)。

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试验2 磨削用量f=0.4mm/单位行程，a_p=0.04mm，其余同试验1。 1 r. X0 Q$ R1 c# F, `1 v* D( Y1 C

试验结果如表1、表2所示。
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1 u& s) m. I9 M0 H e/ @* ?# |& @: [' ~( d8 Z/ e; T9 v( v1 `$ ^" R* B4 f& \) z9 t D, R% z5 s8 L+ I* }1 Y4 b0 K; x! v( Z1 [: b( X3 }& u( b 表1 试验1磨削结果 测定项目 一组 二组 三组 磨削力s 132 -245 -235 表面粗糙度Ra(µm) 0.22 0.15 0.15

: _2 z8 N' O; I% S/ S3 _. v: L. A) w- b' s& ?2 h* P9 X% S( H" y& |) A8 B5 H: `- u8 S) L- J" q' X- y/ \/ r; E4 K6 r& E4 @8 H! [9 r) {: o8 Q/ p7 n- P" K$ c1 Y9 Z! C! _" A# _6 M; n4 X2 r; B' }6 F1 n3 o0 _6 z7 b5 n# @/ _# ^ G+ W) b+ g; F* |; u 表2 试验2磨削结果 测定项目 一组 二组 三组 磨削力s 141 -182 -180 表面粗糙度Ra(µm) 1.1 0.80 0.80

以上两个试验结果均在粗磨后，再次精磨取得。磨削后采用XYL-73型X射线应力测定仪，对表面应力进行了测定。

X射线应力测定是通过测量衍射角2q的改变求得晶面间距，从而换算得出金属表面存在的应力为
' i+ o3 ~" c% G8 N; l' J5 a4 B& W8 k. P9 m7 F* |5 P; Y) a* Q5 d T: u6 Z& a* X+ ? M8 g a% L- q+ q1 E2 `* C' V4 `4 Q" k- G8 Q* S; M( q4 s' a+ z8 R r6 h1 C2 I7 W: l, E V# k3 [6 v& P0 d" q0 P7 Z9 g ~* E

sf=-	E	ctg[q	p	]·	∂(2q)
	2(1+µ)		180		∂(sin2f)

式中：µ为泊松比：E为弹性模量：q为入射角：f为衍射晶面法线与试件表面法线夹角。 * C5 ~2 T3 f+ v/ D) u( p/ H. U/ @

本实验采用0°～45°法测定应力值，上式变为
! P% { n7 ^* [5 H% E5 J" y7 U. u$ T+ x8 C# m( o% x: m X% ^1 W$ i+ j0 I! G8 G! l" w, l8 q8 b" w8 Y6 v3 \( d6 v/ t& M( ]8 U H8 O" E( L; C: ]1 Q* d1 e* y9 U& \/ }2 L1 x+ \0 N2 Y4 M4 a V, `9 l' o6 t/ g7 F u C' n' m: B" H

sf=-	E	ctg[q	p	]·	2q0-2q45	=kD2q
	2(1+µ)		180		sin2f1-sin2f2

式中：k为应力系数。

若2q为正，表示拉应力，反之为压应力。计算结果见表1、表2。 9 s4 W( k9 M5 M2 {

3 结论与分析

1. 强冷磨削可以使工件表面获得残余压应力，或降低工件表面残余拉应力大小，两个试验的常规磨削中，工件表面残余应力都是拉应力，采用了强冷磨削工件表面呈现残余压应力状态。从砂轮前后向工件表面喷注液氮，磨削后的残余应力稍有不同。需要说明的是，不仅液氮喷注方向能影响残余应力大小，工件表面相对于液氮的移动速度也影响着工件表面冷却程度，应缓慢移动，使表层的冷却更充分。液氮喷嘴距离工件表面越近冷却效果越好。液氮的流量及其覆盖面积应大于磨削热的温度场。总之，通过控制液氮喷嘴的移动速度和液氮流量以及其它磨削用量，可以达到控制工件表面残余应力，改善表面质量的目的。 7 A$ H0 g8 `# p2 T
2. 强冷磨削对降低已加工表面粗糙度有一定的效果。试验1、2中表面粗糙度指标Ra分别由0.22µm和1.1µm降为0.15µm和0.85µm。 + v2 H! Y9 v3 p6 r0 S) Z3 e
3. 强冷磨削工艺方法简单，使用方便，若采用人工控制液氮流量，冷却效果不易控制：采用传感器测温通过温控器控制液氮流量，能取得良好的冷却效果，可主动控制残余应力大小。 3 u ^+ [7 A1 v' }) [' y+ {" R1 @
4. 冷却场周围环境对冷却效果有一定影响。保持空气流动相对静止，能提高冷却效果。液氮气化挥发产生的烟雾，会影响操作者对磨削区的观察，应排除。