強冷磨削：一種控制表面殘余應(yīng)力的有效方法

>一、強冷磨削機理在常規(guī)磨削過程中，比壓和摩擦較大，磨削區(qū)域溫度較高，工件表面常常因熱塑性變形而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。對被加工材料表面實施快速強制冷卻，一方面可以降低磨削表面的溫度，減少由此產(chǎn)生的塑性變形與磨削燒傷現(xiàn)象；另一方面會在材料表層形成一個以冷縮為主要特征的預(yù)應(yīng)力場，與磨削過程中力和熱所形成的應(yīng)力場實現(xiàn)非線性疊加，抑制殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，并可導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生。強制冷卻磨削(簡稱強冷磨削)正是根據(jù)這種機理提出的。強冷磨削試驗采用液氮作為冷卻介質(zhì)。

　　液態(tài)氮的溫度為-176℃，是化工產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，無毒，無污染，容易獲取，是一種很好的冷卻介質(zhì)。將其噴注在被加工材料表面，通過氮的揮發(fā)可以迅速吸收大量熱量，使冷卻場覆罩下的工件表面溫度急劇下降，工件表面遇冷而收縮，工件材料脆性增加，加工中塑性變形減輕。與常規(guī)磨削的情況相比較，強冷磨削時，快速強制冷卻收縮的效應(yīng)集中于被加工材料最外層，最外層以下的內(nèi)部材料冷縮程度相對較輕，冷卻速度也較慢，導(dǎo)致工件表層相對里層發(fā)生了不均勻的彈塑性變形。解除強冷作用后，較大的相對溫差(溫升)使工件表層(相對里層)發(fā)生擴張，導(dǎo)致已加工表面殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生。而在常規(guī)磨削后，工件表層溫度降低并發(fā)生收縮，導(dǎo)致已加工表面殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生。

　　強冷磨削時，液氮噴注的方向和部位可以是待加工表面區(qū)和已加工表面區(qū)。向待加工區(qū)域噴注是用以冷卻待加工區(qū)域材料表層，形成冷縮預(yù)應(yīng)力場；向已加工區(qū)域噴注是加速工件冷卻過程，使最外層急劇冷卻與里層形成較大梯度溫度場。兩種方式都在隨后恢復(fù)常溫過程中，因表層擴張而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。二、強冷磨削實驗1.試驗條件工件表面層的冷卻程度和冷縮預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與液氮流量q、工件與液氮噴嘴相對移動速度(試驗中為工件移動速度vw)、被加工材料熱特性等因素有關(guān)，通過對流量q、速度vw和磨削用量的控制，達(dá)到實現(xiàn)對已加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的主動控制。本文的試驗中設(shè)定液氮流量q=1000mm3/s(液氮流量的設(shè)定應(yīng)能使其在作用表面完全汽化后所吸收的熱量滿足對冷卻程度的要求，最低限度也要保證所吸收的熱量大于磨削熱)。液氮噴嘴為矩形B×L=7×3mm，保證了所噴出液氮形成的穩(wěn)定的冷卻場覆罩整個磨削區(qū)域，噴嘴盡可能接近磨削區(qū)域，距離越近，冷卻效果越好。

　　噴嘴相對工件表面移動速度影響工件表面冷縮預(yù)應(yīng)力場的形成，對不同的加工材料和加工條件有不同的優(yōu)化值，工件移動速度"#過小，工件材料冷卻充分，無法在表層形成相對里層的冷縮預(yù)應(yīng)力場；若速度vw過大，表層來不及冷卻，也難以形成冷卻場。這兩種情況下都無法實現(xiàn)強冷磨削對已加工表面殘余應(yīng)力的控制。試驗在M7125型平面磨床上進(jìn)行，采用GZ60ZRA300×40×75磨削砂輪，砂輪表面線速度vs=1320m/min，工件移動速度vw=7.2m/min，橫向進(jìn)給量f=0.3～0.4mm/單行程，磨削深度ap=0.04mm，磨削寬度b=7mm。試驗材料為45鋼(退火狀態(tài))，試件尺寸規(guī)格為100×100×15mm矩形板。平面磨削。2.試驗結(jié)果試驗1：試件分三組：第一組常規(guī)磨削(用普通磨削液冷卻)，第二組強冷磨削(液氮從砂輪前方向待加工表面噴注)，第三組強冷磨削(液氮從砂輪后方向磨削區(qū)表面噴注)，進(jìn)給量f=0.3mm/單行程，其余參數(shù)見試驗條件。試驗結(jié)果見表1。試驗2：試件分組同試驗1，進(jìn)給量f=0.4mm/單行程，其余參數(shù)見試驗條件。試驗結(jié)果見表2。測定項目分組一組二組三組表面應(yīng)力sf(MPa)132-245-235表面粗糙度Ra(µm)0.220.150.15測定項目分組一組二組三組表面應(yīng)力sf(MPa)141-182-180表面粗糙度Ra(µm)1.10.800.80以上兩個試驗結(jié)果均在粗磨后，再次精磨取得。磨削后采用XYL-73型X射線應(yīng)力測定儀，對表面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測定。

　　X射線應(yīng)力測定通過測量衍射角2q的改變求得晶面間距，從而換算出金屬表面存在的應(yīng)力sf：sf=-Ectg(pq)¶(2q)2(1+µ)180¶(sin2f)式中µ——泊松比E——彈性模量q——入射角f——衍射晶面法線與試件表面法線夾角實驗采用0°～45°法測定應(yīng)力值，上式變?yōu)椋簊f=-Ectg(pq)2q0-2q45=k·D2q2(1+µ)180(sin2f1-sin2f3)式中k——應(yīng)力系數(shù)若2q為正，表示拉應(yīng)力；反之表示壓應(yīng)力。計算結(jié)果見上述表1、2。三、結(jié)論與分析1.強冷磨削可以使工件已加工表面獲得殘余壓應(yīng)力，或降低殘余拉應(yīng)力值。2.磨削過程中對工件材料強制冷卻使得材料脆性增加，減輕了磨削過程中材料的塑性變形，對降低已加工表面粗糙度有一定的效果。試驗1和試驗2中表面粗糙度Ra值分別由0.22µm和1.1µm降為0.15µm和0.80µm。同時也避免了磨削燒傷現(xiàn)象的發(fā)生。3.強冷磨削工藝方法簡單，使用方便。

　　采用人工控制液氮流量，對冷卻效果不易控制；采用傳感器測溫，通過溫控器控制液氮流量，能取得良好的冷卻效果，從而實現(xiàn)對殘余應(yīng)力性質(zhì)和大小的主動控制。4.冷卻場周圍環(huán)境也對冷卻效果有一定影響。保持空氣流動相對靜止，能提高冷卻效果。但液氮汽化產(chǎn)生的煙霧，會影響操作者對磨削區(qū)的觀察，應(yīng)及時排除。