摘要：硬質材料像高合金化高速鋼在磨削加工過程中出現的復雜熱機械載荷，會影響表面完整性進而影響工程零件的性能。殘留應力則是評估磨削零件性能的一個顯著參數。早期研究指出磨削工藝通常就是工件的拉伸表面殘余應力的來源。本研究中，通過x射線衍射對磨削工件的測量發現表面產生較大的壓縮殘余應力。為理解該殘余應力的來源，實驗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軟件根據二維數值模擬建立了熱機械模擬。利用工件表面移動的等量熱通量來模擬CBN砂輪對工件的加工作用。根據實驗測量和分析計算求得熱源輪廓。將砂輪的機械作用模擬為分布在接觸區磨粒上的正常壓力。求得溫度分布和殘余應力。模擬結果和測量結果之間的差別是比較明顯的。進一步對磨削表面層進行表征，發現在給定的工藝參數、砂輪和材料屬性條件下，等量載荷的熱機械模型不足以在塑性變形和結構變化中再生誘導殘余應力。
       關鍵詞：磨削,殘余應力,有限元素模型（FEM）,表面結構
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作耐磨材料，并應用在鋼材軋制等強力苛刻加工工藝的成形工序中。在加工前對這類機械零件的表面完整性進行一個預測可以保障加工過程的安全性和產品的質量。表面完整性的主要指標有表面微結構和殘余應力等。本論文主要對CBN砂輪對高速鋼進行外圓精磨加工時所產生的殘余應力進行研究分析。
       有研究者指出殘余應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。對于光滑表面和精準公差要求高的零部件加工，磨削是其工藝的最后關鍵一步。但大多數加工操作中由于碎屑形成機制的緣故，很大一部分能量被轉化為熱能并在磨料-工件之間產生高溫；最終導致以表面軟化為形式的熱損傷、殘余應力和再硬化。
       在磨削工序中，砂輪類型、材料硬度和工藝參數等因素都會影響零件的應力狀態。在砂輪類型方面，Kohli等人研究發現傳統剛玉砂輪加工時傳遞到工件上的磨削能總量約有60-75%被轉化為磨削區的熱能；而CBN砂輪的這一數據約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力的來源及其形式，實驗建立了FEA物理模擬。數值模擬需要對耦合現象的不同類型進行建模：熱力的、機械的和冶金的。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象。在最為普遍的FE模型中，工件上的移動熱源代表砂輪。因此，需要知道傳導入工件的熱通量密度。大多數溫度模型都根據Jaeger理論求得磨削工件上的溫度分布。但現有模型大多都忽略了砂輪的機械作用，在熱源的結構影響方面有所局限。
       本論文利用CBN砂輪對高速鋼進行外圓磨削加工，從而研究殘余應力分布及其變化。通過等量熱源的耦合熱機械FE模型求得模擬實驗結果，將模擬結果與實驗實測結果進行對比。對比差異主要表現為較高的壓縮殘余應力來源，特別是在低溫和高熱穩固材料（HSS）的條件下。然后，通過次表面微結構的詳細分析做進一步的完善。
2、實驗
2.1 實驗磨削裝置
       本研究采用HERMLE CNC 5軸加工中心進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；設計定制特殊的噴嘴用于磨削區的油潤滑。整個實驗裝置如圖1所示。

2.2 殘余應力測量
       每組實驗做完后，利用帶有鉻放射線 Cr Kα（λ=0.229mm）和一個3.14mm直徑的入射光束準直器的MGR40頭的PROTO X射線衍射進行殘余應力測量，如圖2所示。對鐵板（211）的測量也用該裝置，Bragg’s角2θ=156.1°。以ψ正負值進行sin2ψ方法的測量：
       6-ψ角度（-30°~+30°）
       Ψ振蕩：±3°
       對表面層進行持續的電溶解直至達到要求的深度后就可以實現徹底的殘余應力分布。以兩個正交方向進行殘余應力的測量：進給方向（σzz）和砂輪切削方向（σxx）。

       根據參考文獻[20]對殘余應力反映圖中實驗設計的分析可知，工件速度對磨削試樣上產生的殘余應力的影響最大，其次是砂輪進給速度。圖4為順磨方向上不同工件速度（7、14、22m.min-1）和經過修整的其他工藝參數條件（Vs＝17m.s-1，fz＝3mm.tr-1，ap＝8μm）下求得的殘余應力輪廓。在兩個方向上，殘余應力是完全壓縮的。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）。進一步分析則會發現，峰值之間的差異更顯著，工件速度對殘余應力的影響表現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、進給兩個方向上保持常量，因此可以僅考慮柱工件的一部分即可。利用SYSWELD軟件對柱件的第8個2D平面應變模型進行處理。在建立該2D模型時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℃。在上表面和側面，用熱對流傳導系數hconv（W.K-1.mm-2）來表示熱對流。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 機械模型裝置
       機械計算考慮了熱彈塑性機械性能；求得弱耦合熱機械計算。砂輪的影響模擬為速度為Vw沿著表面移動的正常壓力。外加荷載的量級由接觸區的正常磨削力求得。通過X、Y方向上對位移的限制求得工件底面上的運動學邊界條件。
4.4 熱學結果
       圖七為模擬的熱學結果，條件參數為：Vw=7m.mn-1，Vs=17m.s-1，fz=3mm.tr-1，ap=8μm。

       觀察發現最高峰值溫度接近Ac1=750℃（奧氏體化初始溫度）。但達到一定深度后，溫度超過了HSS（450-600℃）的回火溫度。此外，由于冷卻速率過高，磨削表面出現了高度集中的熱梯度（≈300μm）。
       圖8給出了Jaeger分析策略對比，結果顯示一致性良好；從而證實了數字模型。圖中的差異主要是由于FE模型的熱對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間從而降低了工件上的熱量。
4.5 預測殘余應力

       圖10為沿深度的計算殘余應力輪廓（考慮、未考慮砂輪的機械作用），工件速度為Vw=7m.min-1（Tmax=666℃）和Vw=22m.min-1（Tmax=242℃）模擬值和實測值之間的差異是十分顯著的。和實驗測量相比，數值模擬的結果表明工件速度對殘余應力有非常顯著的影響。在較低速度下，切削和進給兩個方向上都觀察到了較高的表面拉伸殘余應力。距離表面100μm距離時，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力。值得注意的是，在所有加工中，砂輪的模擬機械作用對殘余應力的分布無影響。

       實驗結果和模擬結果之間的顯著差異說明了高速鋼磨削加工中殘余應力來源的很多問題。利用熱機械模型求得的數字結果給出了兩種殘余應力狀態類型：當熱效應明顯時（Vw=7m.min-1），拉伸殘余應力產生，如圖10a；當機械效應大于熱效應時，產生低壓縮殘余應力，如圖10b。本研究所用數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。所有這些現象都會降低拉伸殘余應力并提高壓縮殘余應力。
       由于冶金材料屬性的信息缺失，研究重點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，然后進行機械拋光和蝕刻。圖11為改性層面，厚度約5μm。

       為更多了解改性層的相組份，實驗還進行了磨削前后X射線衍射相分析。結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、結論

       利用CBN砂輪對高合金化高速鋼進行外圓精磨加工后，表面層產生了100μm厚的顯著壓縮殘余應力。實驗測量顯示工件速度是外圓磨削過程中最關鍵的動力參數，它會影響磨削試樣上殘余應力的分布。利用熱機械模型求得的熱學結果顯示溫度可以大于材料的回火溫度并接近Ac1值。但數值模擬求得的殘余應力和試驗實測值并不匹配。磨削高速鋼微結構的分析說明殘余應力是機械、熱學和變形效應共同作用的結果。變形結構的改性表面層有SEM/EBSD圖可以看出。微結構的變化和磨削過程中殘留的奧氏體相變、回火現象和塑性變形有關。（編譯：中國超硬材料網）