一种控制表面残余应力的有效方法——强冷磨削

魔神

    

一、强冷磨削机理

在常规磨削过程中，比压和摩擦较大，磨削区域温度较高，工件表面常常因热塑性变形而产生残余拉应力。对被加工材料表面实施快速强制冷却，一方面可以降低磨削表面的温度，减少由此产生的塑性变形与磨削烧伤现象；另一方面会在材料表层形成一个以冷缩为主要特征的预应力场，与磨削过程中力和热所形成的应力场实现非线性叠加，抑制残余拉应力的产生，并可导致残余压应力的产生。强制冷却磨削(简称强冷磨削)正是根据这种机理提出的。

强冷磨削试验采用液氮作为冷却介质。液态氮的温度为-176℃，是化工产业的副产品，无毒，无污染，容易获取，是一种很好的冷却介质。将其喷注在被加工材料表面，通过氮的挥发可以迅速吸收大量热量，使冷却场覆罩下的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，加工中塑性变形减轻。与常规磨削的情况相比较，强冷磨削时，快速强制冷却收缩的效应集中于被加工材料最外层，最外层以下的内部材料冷缩程度相对较轻，冷却速度也较慢，导致工件表层相对里层发生了不均匀的弹塑性变形。解除强冷作用后，较大的相对温差(温升)使工件表层(相对里层)发生扩张，导致已加工表面残余压应力的产生。而在常规磨削后，工件表层温度降低并发生收缩，导致已加工表面残余拉应力的产生。

强冷磨削时，液氮喷注的方向和部位可以是待加工表面区和已加工表面区。向待加工区域喷注是用以冷却待加工区域材料表层，形成冷缩预应力场；向已加工区域喷注是加速工件冷却过程，使最外层急剧冷却与里层形成较大梯度温度场。两种方式都在随后恢复常温过程中，因表层扩张而产生残余压应力。

二、强冷磨削实验

1. 试验条件
   工件表面层的冷却程度和冷缩预应力状态与液氮流量q、工件与液氮喷嘴相对移动速度(试验中为工件移动速度v_w)、被加工材料热特性等因素有关，通过对流量q、速度v_w和磨削用量的控制，达到实现对已加工表面残余应力状态的主动控制。
   本文的试验中设定液氮流量q=1000mm³/s(液氮流量的设定应能使其在作用表面完全汽化后所吸收的热量满足对冷却程度的要求，最低限度也要保证所吸收的热量大于磨削热)。液氮喷嘴为矩形B×L=7×3mm，保证了所喷出液氮形成的稳定的冷却场覆罩整个磨削区域，喷嘴尽可能接近磨削区域，距离越近，冷却效果越好。喷嘴相对工件表面移动速度影响工件表面冷缩预应力场的形成，对不同的加工材料和加工条件有不同的优化值，工件移动速度"# 过小，工件材料冷却充分，无法在表层形成相对里层的冷缩预应力场；若速度v_w过大，表层来不及冷却，也难以形成冷却场。这两种情况下都无法实现强冷磨削对已加工表面残余应力的控制。
   试验在M7125型平面磨床上进行，采用GZ60ZRA300×40×75磨削砂轮，砂轮表面线速度v_s=1320m/min，工件移动速度v_w=7.2m/min，横向进给量f=0.3～0.4mm/单行程，磨削深度ap=0.04mm，磨削宽度b=7mm。
   试验材料为45钢(退火状态)，试件尺寸规格为100×100×15mm矩形板。平面磨削。
2. 试验结果
   试验1：试件分三组：第一组常规磨削(用普通磨削液冷却)，第二组强冷磨削(液氮从砂轮前方向待加工表面喷注)，第三组强冷磨削(液氮从砂轮后方向磨削区表面喷注)，进给量f=0.3mm/单行程，其余参数见试验条件。试验结果见表1。

   表1 试验结果 测定项目 分组 一组 二组 三组 表面应力sf(MPa) 132 -245 -235 表面粗糙度Ra(µm) 0.22 0.15 0.15

   表2 试验结果 测定项目 分组 一组 二组 三组 表面应力sf(MPa) 141 -182 -180 表面粗糙度Ra(µm) 1.1 0.80 0.80

   试验2：试件分组同试验1，进给量f=0.4mm/单行程，其余参数见试验条件。试验结果见表2。
   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，对表面应力状态进行测定。X射线应力测定通过测量衍射角2q的改变求得晶面间距，从而换算出金属表面存在的应力s_f：

   sf=-	E	ctg(	p	q)	¶(2q)
   	2(1+µ)		180		¶(sin2f)

   
   式中µ——泊松比
   E——弹性模量
   q——入射角
   f——衍射晶面法线与试件表面法线夹角
   实验采用0°～45°法测定应力值，上式变为：

   sf=-	E	ctg(	p	q)	2q0-2q45	=k·D2q
   	2(1+µ)		180		(sin2f1-sin2f3)

   
   式中 k——应力系数
   若2q为正，表示拉应力；反之表示压应力。计算结果见上述表1、2。

三、结论与分析

1. 强冷磨削可以使工件已加工表面获得残余压应力，或降低残余拉应力值。
2. 磨削过程中对工件材料强制冷却使得材料脆性增加，减轻了磨削过程中材料的塑性变形，对降低已加工表面粗糙度有一定的效果。试验1和试验2中表面粗糙度Ra值分别由0.22µm和1.1µm降为0.15µm和0.80µm。同时也避免了磨削烧伤现象的发生。
3. 强冷磨削工艺方法简单，使用方便。采用人工控制液氮流量，对冷却效果不易控制；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，从而实现对残余应力性质和大小的主动控制。
4. 冷却场周围环境也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。但液氮汽化产生的烟雾，会影响操作者对磨削区的观察，应及时排除。