摘要：硬質(zhì)材料像高合金化高速鋼在磨削加工過程中出現(xiàn)的復(fù)雜熱機(jī)械載荷，會(huì)影響表面完整性進(jìn)而影響工程零件的性能。殘留應(yīng)力則是評(píng)估磨削零件性能的一個(gè)顯著參數(shù)。早期研究指出磨削工藝通常就是工件的拉伸表面殘余應(yīng)力的來源。本研究中，通過x射線衍射對(duì)磨削工件的測(cè)量發(fā)現(xiàn)表面產(chǎn)生較大的壓縮殘余應(yīng)力。為理解該殘余應(yīng)力的來源，實(shí)驗(yàn)建立了外圓精磨有限元素模擬模型，且溫度取決于材料屬性；并采用SYSWELD 2010軟件根據(jù)二維數(shù)值模擬建立了熱機(jī)械模擬。利用工件表面移動(dòng)的等量熱通量來模擬CBN砂輪對(duì)工件的加工作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析計(jì)算求得熱源輪廓。將砂輪的機(jī)械作用模擬為分布在接觸區(qū)磨粒上的正常壓力。求得溫度分布和殘余應(yīng)力。模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果之間的差別是比較明顯的。進(jìn)一步對(duì)磨削表面層進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)在給定的工藝參數(shù)、砂輪和材料屬性條件下，等量載荷的熱機(jī)械模型不足以在塑性變形和結(jié)構(gòu)變化中再生誘導(dǎo)殘余應(yīng)力。
       關(guān)鍵詞：磨削,殘余應(yīng)力,有限元素模型（FEM）,表面結(jié)構(gòu)
1、引言
       高合金化高速鋼（HSS）由于其碳化物和馬氏體基體的硬度非常高而被當(dāng)作耐磨材料，并應(yīng)用在鋼材軋制等強(qiáng)力苛刻加工工藝的成形工序中。在加工前對(duì)這類機(jī)械零件的表面完整性進(jìn)行一個(gè)預(yù)測(cè)可以保障加工過程的安全性和產(chǎn)品的質(zhì)量。表面完整性的主要指標(biāo)有表面微結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力等。本論文主要對(duì)CBN砂輪對(duì)高速鋼進(jìn)行外圓精磨加工時(shí)所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究分析。
       有研究者指出殘余應(yīng)力輪廓主要受最后的制造加工影響，而制造工序也是影響最終表面完整性的主要因素。磨削作為一種精確加工工藝，適宜高硬度終極精磨材料的加工。對(duì)于光滑表面和精準(zhǔn)公差要求高的零部件加工，磨削是其工藝的最后關(guān)鍵一步。但大多數(shù)加工操作中由于碎屑形成機(jī)制的緣故，很大一部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能并在磨料-工件之間產(chǎn)生高溫；最終導(dǎo)致以表面軟化為形式的熱損傷、殘余應(yīng)力和再硬化。
       在磨削工序中，砂輪類型、材料硬度和工藝參數(shù)等因素都會(huì)影響零件的應(yīng)力狀態(tài)。在砂輪類型方面，Kohli等人研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)剛玉砂輪加工時(shí)傳遞到工件上的磨削能總量約有60-75%被轉(zhuǎn)化為磨削區(qū)的熱能；而CBN砂輪的這一數(shù)據(jù)約20%；所以使用CBN砂輪能夠降低熱損傷。
       為研究工件磨削過程中殘余應(yīng)力的來源及其形式，實(shí)驗(yàn)建立了FEA物理模擬。數(shù)值模擬需要對(duì)耦合現(xiàn)象的不同類型進(jìn)行建模：熱力的、機(jī)械的和冶金的。一些研究者提出了不同的建模，其中考慮了部分或所有的以上現(xiàn)象。在最為普遍的FE模型中，工件上的移動(dòng)熱源代表砂輪。因此，需要知道傳導(dǎo)入工件的熱通量密度。大多數(shù)溫度模型都根據(jù)Jaeger理論求得磨削工件上的溫度分布。但現(xiàn)有模型大多都忽略了砂輪的機(jī)械作用，在熱源的結(jié)構(gòu)影響方面有所局限。
       本論文利用CBN砂輪對(duì)高速鋼進(jìn)行外圓磨削加工，從而研究殘余應(yīng)力分布及其變化。通過等量熱源的耦合熱機(jī)械FE模型求得模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比差異主要表現(xiàn)為較高的壓縮殘余應(yīng)力來源，特別是在低溫和高熱穩(wěn)固材料（HSS）的條件下。然后，通過次表面微結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析做進(jìn)一步的完善。
2、實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ餮b置
       本研究采用HERMLE CNC 5軸加工中心進(jìn)行外圓外圍縱向精磨加工；所用CBN砂輪直徑Ds=150mm，寬度b=12mm；工件為硬鋼柱，直徑Dw=116mm、200mm，硬度為63HRC；設(shè)計(jì)定制特殊的噴嘴用于磨削區(qū)的油潤滑。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.2 殘余應(yīng)力測(cè)量
       每組實(shí)驗(yàn)做完后，利用帶有鉻放射線 Cr Kα（λ=0.229mm）和一個(gè)3.14mm直徑的入射光束準(zhǔn)直器的MGR40頭的PROTO X射線衍射進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，如圖2所示。對(duì)鐵板（211）的測(cè)量也用該裝置，Bragg’s角2θ=156.1°。以ψ正負(fù)值進(jìn)行sin2ψ方法的測(cè)量：
       6-ψ角度（-30°~+30°）
       Ψ振蕩：±3°
       對(duì)表面層進(jìn)行持續(xù)的電溶解直至達(dá)到要求的深度后就可以實(shí)現(xiàn)徹底的殘余應(yīng)力分布。以兩個(gè)正交方向進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量：進(jìn)給方向（σzz）和砂輪切削方向（σxx）。

       根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]對(duì)殘余應(yīng)力反映圖中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析可知，工件速度對(duì)磨削試樣上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響最大，其次是砂輪進(jìn)給速度。圖4為順磨方向上不同工件速度（7、14、22m.min-1）和經(jīng)過修整的其他工藝參數(shù)條件（Vs＝17m.s-1，fz＝3mm.tr-1，ap＝8μm）下求得的殘余應(yīng)力輪廓。在兩個(gè)方向上，殘余應(yīng)力是完全壓縮的。值得注意的是，位于外層的壓縮峰值在Vw=7m.m-1處最高且主要在切削方向上（4a）。進(jìn)一步分析則會(huì)發(fā)現(xiàn)，峰值之間的差異更顯著，工件速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響表現(xiàn)在了磨削表面下方的受影響層上。工件速度越低，受影響深度就越大，從Vw=22m.min-1的10μm到Vw=7m.min-1的80μm。

       在砂輪的單圈加工過程中，沿表面的磨削條件在切削、進(jìn)給兩個(gè)方向上保持常量，因此可以僅考慮柱工件的一部分即可。利用SYSWELD軟件對(duì)柱件的第8個(gè)2D平面應(yīng)變模型進(jìn)行處理。在建立該2D模型時(shí)還要考慮不同溫度條件下的材料屬性。
       工件的初始溫度T（t＝0）=20℃。在上表面和側(cè)面，用熱對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)hconv（W.K-1.mm-2）來表示熱對(duì)流。底面的熱損失假定為0。熱邊界條件如圖五所示。

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4.3 機(jī)械模型裝置
       機(jī)械計(jì)算考慮了熱彈塑性機(jī)械性能；求得弱耦合熱機(jī)械計(jì)算。砂輪的影響模擬為速度為Vw沿著表面移動(dòng)的正常壓力。外加荷載的量級(jí)由接觸區(qū)的正常磨削力求得。通過X、Y方向上對(duì)位移的限制求得工件底面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件。
4.4 熱學(xué)結(jié)果
       圖七為模擬的熱學(xué)結(jié)果，條件參數(shù)為：Vw=7m.mn-1，Vs=17m.s-1，fz=3mm.tr-1，ap=8μm。

       觀察發(fā)現(xiàn)最高峰值溫度接近Ac1=750℃（奧氏體化初始溫度）。但達(dá)到一定深度后，溫度超過了HSS（450-600℃）的回火溫度。此外，由于冷卻速率過高，磨削表面出現(xiàn)了高度集中的熱梯度（≈300μm）。
       圖8給出了Jaeger分析策略對(duì)比，結(jié)果顯示一致性良好；從而證實(shí)了數(shù)字模型。圖中的差異主要是由于FE模型的熱對(duì)流引起的熱交換所致，而Jaeger模型則沒有考慮該因素。

       表面溫度和熱影響深度都達(dá)到最大，隨工件速度的降低而快速增大。較高的速度縮短了接觸時(shí)間從而降低了工件上的熱量。
4.5 預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力

       圖10為沿深度的計(jì)算殘余應(yīng)力輪廓（考慮、未考慮砂輪的機(jī)械作用），工件速度為Vw=7m.min-1（Tmax=666℃）和Vw=22m.min-1（Tmax=242℃）模擬值和實(shí)測(cè)值之間的差異是十分顯著的。和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相比，數(shù)值模擬的結(jié)果表明工件速度對(duì)殘余應(yīng)力有非常顯著的影響。在較低速度下，切削和進(jìn)給兩個(gè)方向上都觀察到了較高的表面拉伸殘余應(yīng)力。距離表面100μm距離時(shí)，該值逐漸降低至-100MPa(10a)。在較高速度下，磨削表面下觀察到較低的壓縮殘余應(yīng)力。值得注意的是，在所有加工中，砂輪的模擬機(jī)械作用對(duì)殘余應(yīng)力的分布無影響。

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果之間的顯著差異說明了高速鋼磨削加工中殘余應(yīng)力來源的很多問題。利用熱機(jī)械模型求得的數(shù)字結(jié)果給出了兩種殘余應(yīng)力狀態(tài)類型：當(dāng)熱效應(yīng)明顯時(shí)（Vw=7m.min-1），拉伸殘余應(yīng)力產(chǎn)生，如圖10a；當(dāng)機(jī)械效應(yīng)大于熱效應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生低壓縮殘余應(yīng)力，如圖10b。本研究所用數(shù)字模型并未考慮相位變換引起的形變和材料回火以及工件上材料的脫落。所有這些現(xiàn)象都會(huì)降低拉伸殘余應(yīng)力并提高壓縮殘余應(yīng)力。
       由于冶金材料屬性的信息缺失，研究重點(diǎn)主要集中在受影響層面上。磨削加工后，表面試樣被涂附上一層樹脂，然后進(jìn)行機(jī)械拋光和蝕刻。圖11為改性層面，厚度約5μm。

       為更多了解改性層的相組份，實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了磨削前后X射線衍射相分析。結(jié)果顯示磨削和未磨削試樣的馬氏體相的觀察圖是一樣的。
6、結(jié)論

       利用CBN砂輪對(duì)高合金化高速鋼進(jìn)行外圓精磨加工后，表面層產(chǎn)生了100μm厚的顯著壓縮殘余應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示工件速度是外圓磨削過程中最關(guān)鍵的動(dòng)力參數(shù)，它會(huì)影響磨削試樣上殘余應(yīng)力的分布。利用熱機(jī)械模型求得的熱學(xué)結(jié)果顯示溫度可以大于材料的回火溫度并接近Ac1值。但數(shù)值模擬求得的殘余應(yīng)力和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值并不匹配。磨削高速鋼微結(jié)構(gòu)的分析說明殘余應(yīng)力是機(jī)械、熱學(xué)和變形效應(yīng)共同作用的結(jié)果。變形結(jié)構(gòu)的改性表面層有SEM/EBSD圖可以看出。微結(jié)構(gòu)的變化和磨削過程中殘留的奧氏體相變、回火現(xiàn)象和塑性變形有關(guān)。（編譯：中國超硬材料網(wǎng)）