強(qiáng)冷散熱對(duì)磨削表面殘余應(yīng)力的影響
時(shí)間:2011-05-20 08:44:02 來源:未知
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，相對(duì)于毗鄰表面的里層金屬發(fā)生伸張或壓縮，而受到里層金屬的牽制。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，它們?cè)诟骶植恐g保持適當(dāng)?shù)木狻Ｈ绻@種均衡受到破壞，物體的形狀就會(huì)發(fā)生變化或在表面產(chǎn)生裂紋。表面殘余拉應(yīng)力會(huì)使工件疲勞強(qiáng)度大大降低，耐磨性和耐腐蝕性變差；相反表面殘余壓應(yīng)力會(huì)使工件的疲勞強(qiáng)度提高。通常磨削加工多作為工件最終工序，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(jī)加工中工件表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要受三個(gè)因素的制約：機(jī)械力引起的塑性變形、熱應(yīng)力引起的塑性變形和相變引起的體積變化。在機(jī)械應(yīng)力的作用下表面層發(fā)生塑性流動(dòng)和延展現(xiàn)象，而里層金屬的彈性恢復(fù)變形受到已塑性變形表面金屬的牽制，表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。磨削中產(chǎn)生的工件表面的高溫，使表面層進(jìn)入完全塑性狀態(tài)，工件冷卻后表面層金屬收縮受到里層金屬的牽制，使表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。當(dāng)砂輪與工件接觸區(qū)溫度達(dá)到金屬相變溫度后，表面組織發(fā)生金相組織變化，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。已加工表面內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是綜合以上幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果。
- 在一般磨削過程中，比壓和摩擦較大，產(chǎn)生的磨削區(qū)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(duì)此，有針對(duì)性地降低磨削表面的溫度，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，甚至?xí)a(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。強(qiáng)制冷卻磨削(簡(jiǎn)稱強(qiáng)冷磨削)正是在此理論基礎(chǔ)上提出的。
- 強(qiáng)冷磨削機(jī)理
- 針對(duì)磨削過程中磨削表面溫度較高的情況，使用液氮對(duì)加工區(qū)域噴注，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。液態(tài)氮的溫度為-196℃，是化工產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，無毒、無污染，易獲取，是很好的冷卻介質(zhì)。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，使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，塑性變形減輕。磨削時(shí)，表面受到磨粒的切削、熨壓、熱應(yīng)力以及強(qiáng)冷收縮的綜合作用，里層金屬因受擠壓而產(chǎn)生彈性變形。磨削后，工件表層因溫升使體積膨脹但受里層金屬?gòu)椥誀恐疲瑥亩a(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如常規(guī)磨削后工件表面為拉應(yīng)力，在強(qiáng)冷磨削條件下，工件表面因強(qiáng)冷作用，已預(yù)先收縮，強(qiáng)冷磨削后，則工件表面收縮比常規(guī)磨削時(shí)的收縮量小，但里層金屬仍然產(chǎn)生彈性恢復(fù)，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，改用強(qiáng)冷磨削后，工件表面因強(qiáng)冷作用，已預(yù)先收縮，則解除強(qiáng)冷作用后，工件表現(xiàn)的擴(kuò)張比常規(guī)磨削時(shí)的擴(kuò)張量大，因而磨削后工件表面出現(xiàn)更大的壓應(yīng)力。因此磨削中連續(xù)向工件待加工表面區(qū)噴注液氮，可抑制磨削熱的產(chǎn)生，以期獲得表面殘余壓應(yīng)力。
2 強(qiáng)冷磨削試驗(yàn)
以下兩個(gè)不同冷卻條件的試驗(yàn)驗(yàn)證都支持了強(qiáng)冷磨削機(jī)理。
試驗(yàn)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vc=1320m/min，vw=7.2m/min，f=0.3mm/單位行程，ap= 0.045mm。
試件分三組：
- 一組常規(guī)磨削(用普通磨削液冷卻)：
- 二組強(qiáng)冷磨削(液氮從砂輪前向待加工表面噴注)：
- 三組強(qiáng)冷磨削(液氮從砂輪后向磨削區(qū)表面噴注)。
試驗(yàn)2 磨削用量f=0.4mm/單位行程，ap=0.04mm，其余同試驗(yàn)1。
試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。
表1 試驗(yàn)1磨削結(jié)果
| #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#測(cè)定項(xiàng)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(yàn)2磨削結(jié)果
| 測(cè)定項(xiàng)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(gè)試驗(yàn)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(cè)定儀，對(duì)表面應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)定。
X射線應(yīng)力測(cè)定是通過測(cè)量衍射角2q的改變求得晶面間距，從而換算得出金屬表面存在的應(yīng)力為
sf=-
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。
本實(shí)驗(yàn)采用0°～45°法測(cè)定應(yīng)力值，上式變?yōu)?BR>
sf=-
E
ctg[q
p
]·
2q0-2q45
=kD2q
2(1+µ)
180
sin2f1-sin2f2
式中：k為應(yīng)力系數(shù)。
若2q為正，表示拉應(yīng)力，反之為壓應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見表1、表2。
3 結(jié)論與分析
- 強(qiáng)冷磨削可以使工件表面獲得殘余壓應(yīng)力，或降低工件表面殘余拉應(yīng)力大小，兩個(gè)試驗(yàn)的常規(guī)磨削中，工件表面殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力，采用了強(qiáng)冷磨削工件表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。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。需要說明的是，不僅液氮噴注方向能影響殘余應(yīng)力大小，工件表面相對(duì)于液氮的移動(dòng)速度也影響著工件表面冷卻程度，應(yīng)緩慢移動(dòng)，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。液氮的流量及其覆蓋面積應(yīng)大于磨削熱的溫度場(chǎng)。總之，通過控制液氮噴嘴的移動(dòng)速度和液氮流量以及其它磨削用量，可以達(dá)到控制工件表面殘余應(yīng)力，改善表面質(zhì)量的目的。
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
- 強(qiáng)冷磨削對(duì)降低已加工表面粗糙度有一定的效果。試驗(yàn)1、2中表面粗糙度指標(biāo)Ra分別由0.22µm和1.1µm降為0.15µm和0.85µm。
- 強(qiáng)冷磨削工藝方法簡(jiǎn)單，使用方便，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(cè)溫通過溫控器控制液氮流量，能取得良好的冷卻效果，可主動(dòng)控制殘余應(yīng)力大小。
- 冷卻場(chǎng)周圍環(huán)境對(duì)冷卻效果有一定影響。保持空氣流動(dòng)相對(duì)靜止，能提高冷卻效果。液氮?dú)饣瘬]發(fā)產(chǎn)生的煙霧，會(huì)影響操作者對(duì)磨削區(qū)的觀察，應(yīng)排除。