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(guò)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(guò)程中殘余應(yīng)力的來(lái)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(guò)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(lái)源，特別是在低溫和高熱穩(wěn)固材料（HSS）的條件下。然后，通過(guò)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(rùn)滑。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。         根據(jù)包含5個(gè)工藝參數(shù)和混合水準(zhǔn)（兩到三個(gè)[32 23]）的部分析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共計(jì)36組實(shí)驗(yàn)；加工方向?yàn)轫樐?、逆磨兩個(gè)方向；不同砂輪速度、工件速度、切割深度、進(jìn)給速率和磨削防線。如表一所示。
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