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 I( O' E1 K% E& G8 S

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 1 }* k; I! t8 q5 f
   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。 5 R! ^5 \/ S: R# \ D
   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。

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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。 0 o5 W, n' x. q2 L" k

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。 ( M8 f% C7 p6 `3 n3 i; f

试件分三组：

1. 一组常规磨削(用普通磨削液冷却)： 2 \8 ?, M% u/ L" \: o
2. 二组强冷磨削(液氮从砂轮前向待加工表面喷注)： ; e5 B) J$ B2 Y2 c! ?
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。 . z/ ` C7 q+ c0 D$ E: B, a

试验结果如表1、表2所示。
6 W* O, T5 b$ o! H5 M, }, l: v8 J2 _1 |9 A8 z3 g8 |/ ^2 Z7 x! j3 s0 r r# A% X3 K4 M; q K, J1 Y# B, | x) h6 N

0 W1 r6 |' N" p- c$ [# ?: O; ]8 ?/ K9 V) V4 y' G, |- p0 N9 \/ p/ W, D" s* b1 q. I- `9 ~1 P0 P9 h ^/ o/ k' f( S! j3 ?. F: }. ^4 ~3 ~. W# Z0 i& o. {* b1 [% \ w- G7 l! E% J: D& Q2 E! Y; L! a6 }1 z( {+ N* _& E6 |1 P' M A' c$ U4 Q. t5 e9 j. ]8 ] M3 X7 ~; j# C: o3 ?3 n2 {; P( A/ E! a8 b Y4 l) n9 I' i 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

' \) I/ O/ C0 t: y, }$ p( j/ Y3 o" P1 J3 R* z* J/ N3 k3 K2 s0 _$ H1 Z/ p6 Z- h# Y" R* D n6 V$ u! k& {: h/ C7 z M1 m& ], v! D( K( B- M1 o' \ k* ?2 g4 T0 l5 `6 B0 i h0 y$ ] i% m8 a ~5 `1 H5 z8 h K8 w I( S9 l" q7 |/ ~8 b) `9 i; k( O X- u; T, L% P5 p: l4 T' r) @( |4 M4 F7 W6 Q; i 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

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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
2 _, x. Q M4 V) v% W# r, u* T' c* n4 K( t* K' E. ~$ l# o& B4 i0 L" l0 T4 p( T9 L5 j0 o4 m( j3 v, s$ g' c! G& d# g" N- d! e- K; @. O3 u& ~; Z* O# b' _( w" b. `1 V3 G' q# k9 N- ^; i# u4 m3 F Q4 Y$ M0 M5 {: Z0 \: t! N; O) \3 N4 v9 P1 ?/ U/ K" _1 g3 l: n/ @1 N& N% i: V0 ?2 N, S" o3 L* a& C

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
D( Q$ i$ B6 k( o% g B' T }8 M. N. s( d, u8 V& U* i7 O$ O# l7 s; ~( {2 k0 f/ `" q+ T8 n: q" g% y5 O. M- l* q' Z. z3 g3 `. l) A4 W1 m+ N3 E! K2 n% ]. _$ n/ U, y* [5 g; i0 q; e" v

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。 % ]2 k, \; F0 h$ m( ~- h7 |) G% u

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。 5 ?7 b. P5 W2 h: V' Q+ |3 {1 X: |
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。 l* Z# B9 Z6 W! ^
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。
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。