磨削过程残余应力.pdf

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1、.-1 磨削表面残余应力的形成机理塑性凸出效应的影响磨削时，由于磨粒切刃具有大的负前角，变形区的塑性变形非常严重，在磨粒刃尖前方区域将形成复杂的应力状态。在磨粒切刃刚走过的表面部分上，沿表面方向出现塑性收缩、而在表面的垂直方向出现拉伸塑性变形这就是塑性凸出效应，结果磨削表面出现残余拉应力。挤光作用的影响在切削加工过程中，刀具和工件之间会产生作用力。垂直于被加工表面的作用力和由此产生的摩擦力一起对被加工表面产生挤光作用。当刀刃不锋利或切削条件恶劣时，挤光作用的影响更为明显，挤光作用会使零件表面产生残余压应力。热应力的影响磨削时，磨削表面层在磨削热的作用下产生热膨胀，而此时基体温度较低，磨削表面层

2、的热膨胀受到基体的限制而产生压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形所允许的温度时，表面层的温度下降至与基体温度一致时，表面层产生残余拉应力。磨削液冷却效应磨削过程中，由于磨削液的使用，磨削表面层在冷却过程中会产生一个降温梯度，它与热应力的影响刚好相反，它可减缓由热应力造成的表面残余拉应力。磨削过程中，除了上述影响残余应力的因素外，还有表面层的二次淬火及表层的回火现象。2 磨削表面残余应力数学模型的建立通过上述分析可知，影响磨削表面残余应力的主要因素可归纳为：磨削力、磨削温度和磨削液的冷却性。力和温度是磨削过程中产生的两种磨削现象，直接对残余应力产生影响；而磨削液对残余应力的影响，一方面是通

3、过表面的降温过程直接产生的，另一方面是通过对力和温度的影响间接产生的。本文试图通过对力和温度的试验数据，以及磨削表面二维残余应力测试数据的数学处理，给出一种反映力、温度和磨削液的冷却性能与表面残余应力关系的数学模型。数学模型中应包括上述影响磨削表面残余应力的因素，即RT=F+R+L式中：RT磨削表面残余应力F磨削力的影响R磨削温度的影响L磨削液冷却性能的影响1)磨削力与残余应力关系的数学模型首先依据图1 所示的模型来分析残余应力与塑性变形之间的关系。图 1a 为自由状态下的两个弹簧，图1b 为两个弹簧被放入刚性板之间的状态。根据平衡条件可得出N=k1k2(l1-l2)/(k1+k2)式中：N两

4、个弹簧被放入刚性板后弹簧的力l1、l2两个弹簧在自由状态下的长度.可修编-.-k1、k2两个弹簧的弹性系数l1-l2 可看作是本文意义上的塑性变形。从上式中可得出，力与塑性变形呈正比，即残余应力与塑性变形呈正比。图 1 残余应力与塑性变形关系模型图 2 为应力与应变关系的简化模型。从图中可知B=(B-S)/E1+SA=B/E式中：S材料的屈服限B某一磨削条件下的应力E材料的弹性模量E1常数图 2 应力 与应变关系简化模型根据图 2 可得出，当外力释放后，B 点处应变B沿斜率 OA 释放后残留为pp=B-A=(B-S)/E+S+B/E上式说明，塑性变形与力呈线性关系。综合上述分析可以认可，残余应

5、力与磨削力呈线性关系，两者关系可表示为F=AF+D1(1)式中：A、D1系数F磨削力(可采用切向力)2)磨削温度与残余应力关系的数学模型.可修编-.-图 3由热应力产生的残余应力可用图3 来进行分析。当磨削区温度升高时，表面层受热膨胀产生压缩应力，该应力随温度升高而线性增大，其值大致为=E式中：线膨胀系数E材料的弹性模量温升当磨削温度继续升高至A时，热应力达到材料的屈服限，如温度再升高(AB),表面层将产生塑性变形，热应力值将停留在材料不同温度时的屈服限处。磨削完毕，表面层温度下降，热应力按原斜率B下降(沿 BC 曲线)，直到与基体温度一致，这时表面产生残余拉应力。其值为=D-BD=EB如果认

6、为B与温度呈线性关系，那么，可得到磨削温度与残余应力关系的数学模型为=EB-B0B+D2=B+D2式中 B0、B、D2系数磨削区最高温度3)磨削液冷却性能与磨削表面残余应力关系的数学模型磨削区温度越高、磨削液冷却系数越大时，下层表面层的温差越大，对热应力造成的残余应力降低的也越多。磨削液冷却性能对表面残余应力的影响与表面温度有关，因此，将磨削液与磨削表面残余应力关系的数学模型表示为L=C+D3式中 C、D3系数磨削液冷却系数综合式(1)、(2)、(3)可得出磨削过程与磨削表面残余应力关系的数学模型如下RT=AF+B+C+D式中 A、B、C、D反映磨削力、磨削温度、磨削液冷却性能影响磨削表面残余

7、应力的系数 3 3 数学模型的回归计算及分析数学模型的回归计算及分析1)数学模型的回归计算根据式(4)表示的残余应力的数学模型，用最小二乘法可得出如下的正规方程组.可修编-.-本文中，N=6，表1 为一组实测数据的计算表(残余应力单位是：MPa，以下同)。解正规方程组可得A=45.77 B=1.98 C=-610 D=-1.47由此可得到拟合结果如下RT=45.77F+1.986101.47表 1 回归计算表-4-4试件Fiiii2Fi2FiiiFiiii72ii1122iFiiiiii7ii11.84 280 421.4 78400 3.39 515.2 620300.8 9.44101.1

8、410775.38 117992 14.211033712021.36 240 509.6 57600 1.82 326.456532.59.92101.7110693.06 122304 21.17104156831.70 21244144944 2.89 360.4 158559.12.1109.8310749.7 93492 43.711099152.441.42 200 382.2 40000 2.022842298983.24102.6210542.72 76440 61.84101619007106710679679651.62 260 460.6 67600 2.64 421.2

9、3409615.47104.4310746.17 119756 96.921021047061.66 260 460.6 67600 2.77 431.63493805.47104.4310764.6 119756 96.92102104709.6 1452 2675.4 356144 15.53 2338.8 1755631.4 26.71107 24.031010 435.88 649740 462.66106 1.0610671062)数学模型计算结果的分析表2 为计算结果的误差分析表。其中i为计算值、i为测量值、i=|i-i|。最大的拟合误差 5.5%。表 2 误差分析表*试件123456434.53i421.4510.87436.39362.21460.89462.66i13.13509.6441382.2460.6460.6i3.01.274.6119.990.292.06i/i(%)*0.21.15.50.10.54 结束语本文提出了一种新的研究磨削表面残余应力的方法，即用反映磨削过程的力、温度、磨削液冷却系数这 3 个综合指标，来研究磨削表面残余应力，并给出了数学模型。该数学模.可修编-.-型反映了磨削表面残余表面应力的形成机理，该方法同其它单因素研究方法相比，具有广泛的可比性。(end).可修编-