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。 3 w3 y7 g6 O& ?

1 磨削加工中残余应力的产生

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。 8 [" z' A/ ]+ @8 v. _( k# C, j, L
   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。
2. 强冷磨削机理 & R* F/ H n$ I. k; \' ^8 Q
   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

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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。 ) D% k/ s/ ?, q; H

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： ; r9 C+ X. h; i5 u! M

5 T# U. y4 {) z" ?- w) U4 H6 w/ c
1. 一组常规磨削(用普通磨削液冷却)： . ~9 D) ?* ~% {0 T/ ~& L. d1 V
2. 二组强冷磨削(液氮从砂轮前向待加工表面喷注)： ! X: y+ J* c0 f
3. 三组强冷磨削(液氮从砂轮后向磨削区表面喷注)。

试验2 磨削用量f=0.4mm/单位行程，a_p=0.04mm，其余同试验1。 ( {2 W8 |, ?& t: n# o

试验结果如表1、表2所示。
, \3 R7 o- { X' R6 S, A/ e4 e# j- s u2 f/ i7 A! b5 l! l; S6 n) D! P3 ?4 w1 Z9 S

" ~, u" `8 [% `& _4 X8 e. z0 u1 J8 B% O. H8 o7 L3 a$ w1 q. w- l2 J, i0 y. M/ g9 Y2 x9 `% i1 H( M& c% W$ V- Q0 J! ^6 l4 Q6 h- j4 u# E% V6 ^: Y& ^) p6 O6 q+ |3 w) e7 j% E- [/ N( N$ s; U6 b$ V 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

! |, s' K* k( l: I& L: ^$ W8 z2 a0 o. U5 Z! v; {3 P# ]8 e) U- C3 f8 N- ?2 L' f% t! t7 X1 u) F$ H+ h# ^+ k @7 R% [1 y! Z+ K/ e$ E" z' C7 Y; E7 h1 c; Y" I* P1 V1 G# `. U3 g- z7 X" C, {$ M3 T0 f2 B4 v r, L9 v! D1 G- I+ Z: y. L$ | 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。 4 L; v* u# | D/ Q$ [

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
- v4 g: h/ j6 g/ u) M! M k9 g& F: P! @! z7 J# Q5 m" k" h* I8 b/ l/ W( a; V5 ^4 l# h% v4 A5 D: x, F% P9 h8 L2 M8 O: W y3 H7 O$ D& O2 N( V) N6 v4 A! f) K. t% D* e1 J% e: I/ l0 _+ \! Q+ ?: g+ h1 T4 P8 f9 `5 r) P9 b; W' }. K/ W

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。

本实验采用0°～45°法测定应力值，上式变为
7 ~0 y6 }, N, b' X l5 n, a, l e; j' D, @7 J" d' j: F; ^# G& r& n9 f/ s# ~* C5 |( @7 Q% a. Z1 n6 L# ~( k0 s) f& V1 X' q8 C2 |+ u2 [0 `, M0 U) h# C4 ?% n9 ~2 k0 C+ ]

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。 L) @/ e& R& B+ |( ~

3 结论与分析

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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。 * `( J* s& ~. Z8 p, @+ ~7 R
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。 - Z7 L8 D4 n# z7 ^
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。 - U) r( O" Q' P, I/ r
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。