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産生殘余拉應力。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，減少由此産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爲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，抑制殘余拉應力的産生，並可導致殘余壓應力的産生。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爲冷卻介質。液態氮的溫度爲　176℃，是化工産業的副産品，無毒，無汙染，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，導致工件表層相對裏層發生了不均勻的彈塑性變形。解除強冷作用後，較大的相對溫差(溫升)使工件表層(相對裏層)發生擴張，導致已加工表面殘余壓應力的産生。而在常規磨削後，工件表層溫度降低並發生收縮，導致已加工表面殘余拉應力的産生。

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裏層形成較大梯度溫度場。兩種方式都在隨後恢複常溫過程中，因表層擴張而産生殘余壓應力。


強冷磨削實驗



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(試驗中爲工件移動速度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後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)。液氮噴嘴爲矩形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裏層的冷縮預應力場；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。



試驗材料爲45鋼(退火狀態)，試件尺寸規格爲100×100×15mm矩形板。


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降爲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。但液氮汽化産生的煙霧，會影響操作者對磨削區的觀察，應及時排除。