強冷散熱對磨削表面殘余應(yīng)力的影響

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摘要：工件表面殘余應(yīng)力的性質(zhì)和大小直接影響著工件的使用性能。對于大多數(shù)工件因熱應(yīng)力塑性變形而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力采用強冷散熱的方法咐旧，在一定程度上是能夠?qū)崿F(xiàn)對表面殘余力的控制的掂骏。

殘余應(yīng)力從微觀上講，是因加工后表面層的金屬晶格原子間距發(fā)生了變化眯娱，相對于毗鄰表面的里層金屬發(fā)生伸張或壓縮礁苗，而受到里層金屬的牽制爬凑。從宏觀上講，是指在沒有應(yīng)力作用下的物體內(nèi)部殘余著的內(nèi)應(yīng)力试伙，它們在各局部之間保持適當?shù)木忄倚拧Ｈ绻@種均衡受到破壞，物體的形狀就會發(fā)生變化或在表面產(chǎn)生裂紋疏叨。表面殘余拉應(yīng)力會使工件疲勞強度大大降低潘靖，耐磨性和耐腐蝕性變差；相反表面殘余壓應(yīng)力會使工件的疲勞強度提高蚤蔓。通常磨削加工多作為工件最終工序泛汁，磨削后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的性質(zhì)和大小將直接影響工件的使用性能。

1 磨削加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

磨削中表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生
機加工中工件表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要受三個因素的制約：機械力引起的塑性變形陶焙、熱應(yīng)力引起的塑性變形和相變引起的體積變化寿经。在機械應(yīng)力的作用下表面層發(fā)生塑性流動和延展現(xiàn)象，而里層金屬的彈性恢復變形受到已塑性變形表面金屬的牽制听量，表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力剖坟。磨削中產(chǎn)生的工件表面的高溫，使表面層進入完全塑性狀態(tài)榕暴，工件冷卻后表面層金屬收縮受到里層金屬的牽制绪桑，使表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。當砂輪與工件接觸區(qū)溫度達到金屬相變溫度后飘具，表面組織發(fā)生金相組織變化猴试，其表面殘余應(yīng)力的性質(zhì)，隨磨削前后金相組織的變化而變化刑炎。已加工表面內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是綜合以上幾個因素共同作用的結(jié)果忽仗。
在一般磨削過程中，比壓和摩擦較大浦译，產(chǎn)生的磨削區(qū)溫度較高棒假。工件表面常常因熱塑性變形而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。對此精盅，有針對性地降低磨削表面的溫度帽哑，減少由此產(chǎn)生的塑性變形，就能抑制殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生叹俏，甚至會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力妻枕。強制冷卻磨削(簡稱強冷磨削)正是在此理論基礎(chǔ)上提出的。
強冷磨削機理
針對磨削過程中磨削表面溫度較高的情況粘驰，使用液氮對加工區(qū)域噴注屡谐，進行強制冷卻。液態(tài)氮的溫度為-196℃，是化工產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品愕掏，無毒度秘、無污染，易獲取饵撑，是很好的冷卻介質(zhì)剑梳。將其噴注在待加工表面，通過氮的揮發(fā)可以迅速吸收大量熱量拙故，使工件表面溫度急劇下降窃德，工件表面遇冷而收縮，工件材料脆性增加亮倍，塑性變形減輕忆颇。磨削時，表面受到磨粒的切削手霎、熨壓宪郑、熱應(yīng)力以及強冷收縮的綜合作用，里層金屬因受擠壓而產(chǎn)生彈性變形杖进。磨削后袁垄，工件表層因溫升使體積膨脹但受里層金屬彈性牽制，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力隧庐，通過對比實驗發(fā)現(xiàn)：如常規(guī)磨削后工件表面為拉應(yīng)力鼓临，在強冷磨削條件下，工件表面因強冷作用士袜，已預先收縮角黍，強冷磨削后，則工件表面收縮比常規(guī)磨削時的收縮量小蔫仙，但里層金屬仍然產(chǎn)生彈性恢復料睛，因而磨削后工件表面的拉應(yīng)力減小或出現(xiàn)壓應(yīng)力；如常規(guī)磨削后工件表面為壓應(yīng)力摇邦，改用強冷磨削后恤煞，工件表面因強冷作用，已預先收縮施籍，則解除強冷作用后居扒，工件表現(xiàn)的擴張比常規(guī)磨削時的擴張量大，因而磨削后工件表面出現(xiàn)更大的壓應(yīng)力丑慎。因此磨削中連續(xù)向工件待加工表面區(qū)噴注液氮喜喂，可抑制磨削熱的產(chǎn)生，以期獲得表面殘余壓應(yīng)力竿裂。

2 強冷磨削試驗

以下兩個不同冷卻條件的試驗驗證都支持了強冷磨削機理玉吁。

試驗1 試件材質(zhì)為45#鋼(退火)，尺寸規(guī)格為100×100×15矩形板，磨削用量v_c=1320m/min诈茧，v_w=7.2m/min铡畜，f=0.3mm/單位行程丈巩，a_p= 0.045mm粗线。

試件分三組：

一組常規(guī)磨削(用普通磨削液冷卻)：
二組強冷磨削(液氮從砂輪前向待加工表面噴注)：
三組強冷磨削(液氮從砂輪后向磨削區(qū)表面噴注)。

試驗2 磨削用量f=0.4mm/單位行程超丛，a_p=0.04mm蚂霎，其余同試驗1。

試驗結(jié)果如表1逢棺、表2所示贷挠。

表1 試驗1磨削結(jié)果
測定項目	一組	二組	三組
磨削力s	132	-245	-235
表面粗糙度Ra(μm)	0.22	0.15	0.15

表2 試驗2磨削結(jié)果
測定項目	一組	二組	三組
磨削力s	141	-182	-180
表面粗糙度Ra(μm)	1.1	0.80	0.80

以上兩個試驗結(jié)果均在粗磨后，再次精磨取得篱馅。磨削后采用XYL-73型X射線應(yīng)力測定儀春环，對表面應(yīng)力進行了測定。

X射線應(yīng)力測定是通過測量衍射角2q的改變求得晶面間距展嘲，從而換算得出金屬表面存在的應(yīng)力為

s_f=-	E	ctg[q	p	]·	?(2q)

	2(1+μ)		180		?(sin²f)

式中：μ為泊松比：E為彈性模量：q為入射角：f為衍射晶面法線與試件表面法線夾角沟密。

本實驗采用0°～45°法測定應(yīng)力值，上式變?yōu)?br>

s_f=-	E	ctg[q	p	]·	2q₀-2q₄₅	=kD2q

	2(1+μ)		180		sin²f₁-sin²f₂

式中：k為應(yīng)力系數(shù)曾探。

若2q為正痹换，表示拉應(yīng)力，反之為壓應(yīng)力都弹。計算結(jié)果見表1娇豫、表2。

3 結(jié)論與分析

強冷磨削可以使工件表面獲得殘余壓應(yīng)力畅厢，或降低工件表面殘余拉應(yīng)力大小冯痢，兩個試驗的常規(guī)磨削中，工件表面殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力框杜，采用了強冷磨削工件表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力狀態(tài)浦楣。從砂輪前后向工件表面噴注液氮，磨削后的殘余應(yīng)力稍有不同霸琴。需要說明的是椒振，不僅液氮噴注方向能影響殘余應(yīng)力大小，工件表面相對于液氮的移動速度也影響著工件表面冷卻程度梧乘，應(yīng)緩慢移動澎迎，使表層的冷卻更充分。液氮噴嘴距離工件表面越近冷卻效果越好选调。液氮的流量及其覆蓋面積應(yīng)大于磨削熱的溫度場夹供。總之，通過控制液氮噴嘴的移動速度和液氮流量以及其它磨削用量喂磷，可以達到控制工件表面殘余應(yīng)力俘巡，改善表面質(zhì)量的目的。
強冷磨削對降低已加工表面粗糙度有一定的效果欲访。試驗1变抛、2中表面粗糙度指標Ra分別由0.22μm和1.1μm降為0.15μm和0.85μm。
強冷磨削工藝方法簡單宏动，使用方便涡拾，若采用人工控制液氮流量，冷卻效果不易控制：采用傳感器測溫通過溫控器控制液氮流量斜孩，能取得良好的冷卻效果胆褪，可主動控制殘余應(yīng)力大小。
冷卻場周圍環(huán)境對冷卻效果有一定影響臀胞。保持空氣流動相對靜止狰绪，能提高冷卻效果。液氮氣化揮發(fā)產(chǎn)生的煙霧蛋济，會影響操作者對磨削區(qū)的觀察棍鳖，應(yīng)排除。

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