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。         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。
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