強冷磨削：一種控制表面殘余應力的有效方法
>一、強冷磨削機理在常規磨削過程中，比壓和摩擦較大，磨削區域溫度較高，工件表面常常因熱塑性變形而產生殘余拉應力。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，減少由此產生的塑性變形與磨削燒傷現象；另一方面會在材料表層形成一個以冷縮為主要特征的預應力場，與磨削過程中力和熱所形成的應力場實現非線性疊加，抑制殘余拉應力的產生，并可導致殘余壓應力的產生。強制冷卻磨削(簡稱強冷磨削)正是根據這種機理提出的。強冷磨削試驗采用液氮作為冷卻介質。
液態氮的溫度為-176℃，是化工產業的副產品，無毒，無污染，容易獲取，是一種很好的冷卻介質。將其噴注在被加工材料表面，通過氮的揮發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。與常規磨削的情況相比較，強冷磨削時，快速強制冷卻收縮的效應集中于被加工材料最外層，最外層以下的內部材料冷縮程度相對較輕，冷卻速度也較慢，導致工件表層相對里層發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)發生擴張，導致已加工表面殘余壓應力的產生。而在常規磨削后，工件表層溫度降低并發生收縮，導致已加工表面殘余拉應力的產生。
強冷磨削時，液氮噴注的方向和部位可以是待加工表面區和已加工表面區。向待加工區域噴注是用以冷卻待加工區域材料表層，形成冷縮預應力場；向已加工區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常溫過程中，因表層擴張而產生殘余壓應力。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應力狀態與液氮流量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，通過對流量q、速度vw和磨削用量的控制，達到實現對已加工表面殘余應力狀態的主動控制。本文的試驗中設定液氮流量q=1000mm3/s(液氮流量的設定應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定的冷卻場覆罩整個磨削區域，噴嘴盡可能接近磨削區域，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應力場的形成，對不同的加工材料和加工條件有不同的優化值，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應力場；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強冷磨削對已加工表面殘余應力的控制。試驗在M7125型平面磨床上進行，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)，試件尺寸規格為100×100×15mm矩形板。平面磨削。2.試驗結果試驗1：試件分三組：第一組常規磨削(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表面噴注)，進給量f=0.3mm/單行程，其余參數見試驗條件。試驗結果見表1。試驗2：試件分組同試驗1，進給量f=0.4mm/單行程，其余參數見試驗條件。試驗結果見表2。測定項目分組一組二組三組表面應力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力sf(MPa)141-182-180表面粗糙度Ra(µm)1.10.800.80以上兩個試驗結果均在粗磨后，再次精磨取得。磨削后采用XYL-73型X射線應力測定儀，對表面應力狀態進行測定。
X射線應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°法測定應力值，上式變為：sf=-Ectg(pq)2q0-2q45=k·D2q2(1+µ)180(sin2f1-sin2f3)式中k——應力系數若2q為正，表示拉應力；反之表示壓應力。計算結果見上述表1、2。三、結論與分析1.強冷磨削可以使工件已加工表面獲得殘余壓應力，或降低殘余拉應力值。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象的發生。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，從而實現對殘余應力性質和大小的主動控制。4.冷卻場周圍環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。但液氮汽化產生的煙霧，會影響操作者對磨削區的觀察，應及時排除。