强冷散热对磨削表面残余应力的影响

HEATS 发表于 2010-9-12 14:27:52

强冷散热对磨削表面残余应力的影响

<DD>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。
<H1>1 磨削加工中残余应力的产生</H1>
<OL>
<LI>磨削中表面残余应力的产生
<DD>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。
<DD>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。</DD>
<LI>强冷磨削机理
<DD>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。</DD></LI></OL>
<H1>2 强冷磨削试验</H1>
<DD>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。
<DD>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vc=1320m/min，vw=7.2m/min，f=0.3mm/单位行程，ap= 0.045mm。
<DD>试件分三组：
<OL>
<LI>一组常规磨削(用普通磨削液冷却)：
<LI>二组强冷磨削(液氮从砂轮前向待加工表面喷注)：
<LI>三组强冷磨削(液氮从砂轮后向磨削区表面喷注)。</LI></OL>
<DD>试验2 磨削用量f=0.4mm/单位行程，ap=0.04mm，其余同试验1。
<DD>试验结果如表1、表2所示。 
<TABLE align=center>
<TBODY>
<TR>
<TD>
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表1 试验1磨削结果</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TH>测定项目</TH>
<TH>一组</TH>
<TH>二组</TH>
<TH>三组</TH></TR>
<TR align=middle>
<TD align=left>磨削力s</TD>
<TD>132</TD>
<TD>-245</TD>
<TD>-235</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD align=left>表面粗糙度Ra(µm)</TD>
<TD>0.22</TD>
<TD>0.15</TD>
<TD>0.15</TD></TR></TBODY></TABLE></TD>
<TD>
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表2 试验2磨削结果</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TH>测定项目</TH>
<TH>一组</TH>
<TH>二组</TH>
<TH>三组</TH></TR>
<TR align=middle>
<TD align=left>磨削力s</TD>
<TD>141</TD>
<TD>-182</TD>
<TD>-180</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD align=left>表面粗糙度Ra(µm)</TD>
<TD>1.1</TD>
<TD>0.80</TD>
<TD>0.80</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>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。
<DD>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 
<TABLE align=center>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=3>sf=-</TD>
<TD>E</TD>
<TD rowSpan=3>ctg[q</TD>
<TD>p</TD>
<TD rowSpan=3>]·</TD>
<TD>∂(2q)</TD></TR>
<TR bgColor=#006600 height=1>
<TD></TD>
<TD></TD>
<TD></TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>2(1+µ)</TD>
<TD>180</TD>
<TD>∂(sin2f)</TD></TR></TBODY></TABLE>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。
<DD>本实验采用0°～45°法测定应力值，上式变为 
<TABLE align=center>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=3>sf=-</TD>
<TD>E</TD>
<TD rowSpan=3>ctg[q</TD>
<TD>p</TD>
<TD rowSpan=3>]·</TD>
<TD>2q0-2q45</TD>
<TD rowSpan=3>=kD2q</TD></TR>
<TR bgColor=#006600 height=1>
<TD></TD>
<TD></TD>
<TD></TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>2(1+µ)</TD>
<TD>180</TD>
<TD>sin2f1-sin2f2</TD></TR></TBODY></TABLE>式中：k为应力系数。
<DD>若2q为正，表示拉应力，反之为压应力。计算结果见表1、表2。
<H1>3 结论与分析</H1>
<OL>
<LI>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。
<LI>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。
<LI>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。
<LI>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。</LI></OL></DD>

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