硬質材料像高合金化高速鋼在磨削加工過程中出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(qū)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(fā)現(xiàn)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。

1、實驗

1.1 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(qū)的油潤滑。整個實驗裝置如圖1所示。

圖一：實驗裝置

根據包含5個工藝參數和混合水準（兩到三個[32 23]）的部分析因試驗設計進行實驗，共計36組實驗；加工方向為順磨、逆磨兩個方向；不同砂輪速度、工件速度、切割深度、進給速率和磨削防線。如表一所示。

表一：因子水準分配

1.2 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(xù)的電溶解直至達到要求的深度后就可以實現(xiàn)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）。

圖二：X射線機進行殘余應力測量

2、實驗結果

圖三為磨削加工前后工件的殘余應力深度輪廓數據。由圖觀察可知，前期加工工藝所產生的拉伸表面殘余應力在經過磨削加工后，被轉化為最大表面壓縮應力。

圖三：HSS外圓磨削前后的殘余應力

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(fā)現(xiàn)，峰值之間的差異更顯著，工件速度對殘余應力的影響表現(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。

圖四：不同工件速度條件下的殘余應力輪廓