单粒磨削过程仿真与工件表面残余应力的离散度分析

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磨料流加工中有效磨粒工况对加工结果影响的仿真分析

磨料流加工中有效磨粒工况对加工结果影响的仿真分析发布时间：2023-02-17T02:37:42.150Z 来源：《教育学文摘》2022年第9月19期作者：张志斌[导读] 利用Abaqus软件构建磨料流加工仿真模型，对加工过程中近壁粒子运动状态进行仿真分析。

通过比较可知，有效磨粒所受的压强对Mises应力有显著影响，磨料流速有明显但非线性的影响。

张志斌（安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥 230000）摘要：利用Abaqus软件构建磨料流加工仿真模型，对加工过程中近壁粒子运动状态进行仿真分析。

通过比较可知，有效磨粒所受的压强对Mises应力有显著影响，磨料流速有明显但非线性的影响。

结果为后续磨料流加工仿真研究提供理论依据与模型支持。

构建磨料流加工模型研究加工机理提供理论依据与模型支持。

关键词：磨料流加工；Abaqus；数值模拟引言磨料流加工（Abrasive Flow Machining, AFM）是1960年后开发的新型加工工艺，McCarty[1]称其为挤压珩磨法。

随着有限元算法的完善与CAE技术的发展，学者尝试通过仿真手段进行研究。

Junye Li[2]等人研究磨粒流加工工艺中的微孔磨粒流加工技术，通过控制磨粒筒活塞的运动速度来控制工件与磨粒流的相对运动，提高加工精度和效率。

Jain[3]等人采用有限元法分析磨料流加工外表面过程，他们发现当工件所受剪切应力低于屈服应力时，粘塑性物质可视为刚性物质。

超过屈服应力，粘塑性物质可视为牛顿流体。

Bo Tang[4]等人基于液固两相流耦合理论和连续介质理论，建立了面向模具结构面精密加工的软性磨料黏结流动力学模型。

1 磨料流加工仿真研究1.1 基本假设（1）磨料流动为稳定流动；（2）固相、液相均无相变；（3）将磨料中的载体简化为粘弹性边界条件；（4）忽略惯性力作用；（5）满足摩擦条件且摩擦系数保持常数；（6）不考虑热力耦合。

（7）磨粒简化为圆形颗粒。

1.2 模型的建立当使用中低浓度磨料进行抛光时，磨料中的磨粒分布稀疏而均匀，很难形成稳定的力链结构。

硬态切削表面残余应力分析研究

硬态切削表面残余应力分析研究李万钟;屈健康;李娜娜;徐颖强;郭彩虹【摘要】以轴承钢GCr15为研究对象，根据热-弹塑性有限元理论，建立了热力耦合的二维正交硬态切削模型。

根据硬态切削的特点，在硬态切削有限元模型中设置了未预先设置分离线的点面接触并选择了Johnson-Cook材料本构模型，通过有限元分析计算，得到了不同切削参数和刀具几何参数条件下已加工表面残余应力的模拟结果。

对结果进行比较分析得出，最大压残余应力出现在工件表面，沿着深度的增加工件内部的残余应力由残余压应力转化为残余拉应力，并逐渐趋向于零。

这对于控制和提高硬态切削工件表面质量具有重要的理论指导意义。

%Taking bearing steel GCr15 as the object, the thermal-mechanical 2D orthogonal hard cut-ting simulation model is established based on the thermal elastic-plastic mechanics. The finite element model of hard cutting is established with the point-surface contact of fail-ing to set separation line and the Johnson-Cook material constitutive model according to the characteristics of the hard cutting. The effects of the cutting parameters and cut-ting tool’s geometric on the residual stress of the machined surface are obtained by the ABAQUS software. The results indicate that maximum compressive residual stress exists in surface, the compressive residual stress translates into tensile residual stress along the increasing of depth inside the workpiece, and gradually tends to zero. It has impor-tant theoretical guiding significance for controlling and improving the workpiece surface of hard cutting.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P64-68)【关键词】硬态切削;热力耦合;温度场;残余应力;有限元【作者】李万钟;屈健康;李娜娜;徐颖强;郭彩虹【作者单位】西北工业大学机电学院;西北工业大学机电学院;西北工业大学机电学院;西北工业大学机电学院;中航光电科技股份有限公司【正文语种】中文随着切削技术的发展，尤其是超硬刀具材料陶瓷、聚晶立方氮化硼（PCBN）的出现，使得精密切削加工淬硬钢成为可能，产生了“以车带磨”的硬态切削加工技术。

磨削加工过程中的热影响分析

磨削加工过程中的热影响分析磨削加工是一种常见的工艺，广泛应用于各种机械制造领域。

在磨削加工过程中，磨料与工件之间的摩擦和冲击产生了大量的热量，这也是磨削加工中存在的热影响的主要来源之一。

本文将从热影响的产生机理、其对工件性能的影响以及减少热影响的方法等方面进行一定的探讨。

磨削加工过程中，磨料与工件之间的摩擦导致了局部高温的产生。

这主要是由于摩擦引起的工件表面层材料的塑性变形和形变能的转化所释放出的热量。

在高速磨削加工中，磨料与工件的接触时间极短，导致热量不容易散失，进而引发热影响现象的发生。

热影响会对工件的性能造成一定的影响。

首先，热影响会引起工件表面的热损伤，进而导致工件的表面质量下降。

其次，热影响还会导致工件的硬度下降和残余应力的增加。

热影响使得材料的晶粒尺寸发生变化，形成细小的晶粒和高密度的位错，从而导致了硬度的下降。

同时，由于热传导的差异，工件表面和内部之间存在温度梯度，从而形成了残余应力。

这些残余应力会对工件的力学性能产生不利影响，甚至引发裂纹和破坏。

为了减少磨削加工中的热影响，可以采取以下措施。

首先，选择合适的磨削参数非常重要。

合理控制切削速度、进给速度和磨削深度，可以减少热量的产生和积累，从而降低热影响的程度。

其次，选择合适的冷却液也是减少热影响的有效手段。

冷却液能够降低工件表面的温度，提高热量的散失效果，从而减少热影响对工件的影响。

此外，采用表面改性技术也可以有效地降低热影响。

例如，通过激光处理、等离子体喷涂等方法，可以在工件表面形成一层具有优良性能的涂层，从而提高工件的抗热性能和耐磨性能。

尽管热影响在磨削加工中存在一定的影响，但是应用适当的措施可以最大程度地降低其对工件性能的不利影响。

磨削加工技术在实际应用中具有广泛的适用性和经济性，对于提高工件的精度和表面质量起到了重要的作用。

因此，在实践中，我们需要深入研究磨削加工中的热影响机理，不断总结经验，并结合新材料和新工艺，进一步提高磨削加工的精度和效率。

表面残余应力测试技术研究及应用现状

表面残余应力测试技术研究及应用现状表面残余应力测试技术研究及应用现状摘要: 在生产、处理或加工材料的过程中，由于材料的局部区域的不均匀塑性变形，产生了残余应力。

残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响; 提高表面塑变抗力，降低表层的有效拉应力，可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，提高疲劳强度。

本文主要介绍一些常用的表面残余应力的测试技术以及应用现状。

关键词:表面残余应力;X －射线衍射; 测试参数金属材料在热处理、表面处理、表面改性、塑性变形加工等各种冷热加工之后或在切削、研磨、装配、铸造、焊接等加工工艺之后，材料的局部区域产生了不均匀的塑性变形，必然会产生内应力。

残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系，是材料中发生了不均匀的弹性形变或不均匀的弹塑性变形而引起的，或者说是材料的弹性各向异性或塑性各向异性的反映。

这种残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响。

此外，绝大多数机件的疲劳破坏是从表面开始的。

由于残余应力而影响或导致的机械零件失效达50% 以上，这也是工程界越来越关注的产品失效问题。

下面就介绍几种表面残余应力的测定技术。

目前广泛应用的残余应力测试方法可分为两大类：物理方法和机械方法。

物理法有X 射线法、磁测法和超声波法等；机械法也称应力释放法如电侧（盲孔、切割、套孔及逐次去层）法及光弹贴片钻孔法。

此外, 近些年还出现了硬度测定法、压痕测定法、全息干涉法、错位散斑干涉法、脆性涂层法等。

一、测定法简单介绍X 射线测定法X 射线衍射技术来测定材料中的残余应力，其测定的基本原理是基于X 射线衍射理论。

当一束具有一定波长λ的X 射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X 射线强度极大值( 即所谓衍射峰) ，这便是X 射线衍射现象( 如下图) 。

X 射线的波长λ、衍射晶面间距d 和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律:2d sinθ= n λ( n = 1，2，3……)在已知X 射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d 建立确定的关系。

对影响机械加工表面质量因素讨论论文

对影响机械加工表面质量因素的讨论摘要：本文主要通过对零件表面粗糙度、零件表面层的物理力学性能（加工硬化、残余应力、金相组织的变化与磨削烧伤）等因素的分析和研究，来提高机械加工表面质量的工艺措施。

关键词：表面质量；工艺因素；机械加工；控制措施只有了解和掌握影响机械加工表面质量的因素，才能在生产实践中，采取相应的工艺措施，减少零件因表面质量缺陷而引起的加工质量问题，从而提高机械产品的使用性能、寿命和可靠性。

一、影响加工表面粗糙度的工艺因素（一）切削加工1、刀具的几何参数、材料和刃磨质量刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。

在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。

在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。

另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值。

2、切削条件与切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却润滑情况。

中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。

进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。

正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。

合理选用切削液，对工件起到冷却、润滑作用，减少被加工材料的变形和摩擦，降低切削区温度，抑制积屑瘤和鳞刺的生成，是减少表面粗糙度值有效途径。

3、工艺系统的精度和刚度要想获得很小表面粗糙度，要求工艺系统具有足够的运动精度和刚度。

GH4169材料磨削后数控抛光表面残余应力分析

GH4169材料磨削后数控抛光表面残余应力分析高世民;全芳【摘要】CNC Polishing can have a low roughness with a high consistency.The influence of CNC polishing of wool felt wheel on residual stress is investigated.The normal residual stress in the feed direction shows a trend from rise to decline,while in the vertical feel direction it stays unchanged basically and then decreases.The optimized times of polishing is 3.The "Reinforcing Bar" model is put forward in order to explain the impact on the residual stress from polishing.Another polishing experiment is conducted for verifying roughly the impact relation.%数控抛光能够达到一致性较高的表面粗糙度要求.试验研究了羊毛毡轮数控抛光层数对磨削后GH4169表面残余应力的影响,进给方向表面残余正应力随深度增加先升高后下降,而垂直进给方向表面残余正应力先基本不变后下降,优化抛光层数为3层.针对磨削后抛光工艺,提出了“加强筋”模型,将羊毛毡轮抛光过程分为两个阶段,解释了抛光对表面残余应力的影响机理,并改变抛光参数进行了初步的试验验证.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)007【总页数】4页(P97-100)【关键词】GH4169;抛光;表面完整性;表面残余应力【作者】高世民;全芳【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文GH4169高温合金在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，抗疲劳、抗腐蚀、抗氧化性能高[1]，广泛应用于航空发动机压气机叶片[2]。

钛合金曲面磨粒流加工扰流流道仿真与试验研究

钛合金曲面磨粒流加工扰流流道仿真与试验研究张利;黄一;陈国达;傅昱斐【摘要】针对具有复杂曲面的钛合金工件磨粒流抛光后表面粗糙度Ra不均匀问题,提出一种具有扰流结构的仿型约束加工流道.借助计算流体动力学(CFD)分析软件,结合SST k-ω湍流模型、离散相模型(DPM)和Oka冲蚀模型,仿真分析原始流道和5种不同扰流角度的扰流流道内磨粒流动力学特性.数值模拟结果表明:扰流流场中的磨粒流相较于原始流场在工件表面具有更大的湍流动能、动压力和冲蚀速率,其中扰流角度为30°时冲蚀均匀性较好.基于仿真条件搭建了磨粒流加工试验平台,使用原始流道和30°扰流流道分别进行了加工试验.试验结果表明:使用原始流道加工5h后,工件表面曲率不同区域的表面粗糙度Ra值分散,加工效果均匀性较差;使用扰流流道加工5h后,工件表面各区域表面粗糙度Ra的均匀性明显优于无扰流流场的加工均匀性.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2019(030)005【总页数】9页(P519-527)【关键词】钛合金曲面;磨粒流加工;扰流流道;表面冲蚀;加工均匀性【作者】张利;黄一;陈国达;傅昱斐【作者单位】浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州,310023;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州,310023;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州,310023;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州,310023【正文语种】中文【中图分类】TG6640 引言钛合金因具有比强度高、密度低、耐腐蚀性强、热强性好、生物相容性与力学相容性优异等优良特性，已广泛应用于航天航空、船舶、车辆、化工以及医疗等领域，成为材料科学中一个正在发展的新领域[1-4]。

但钛合金工艺性较差，较高的表面硬度使其表面抛光加工困难，尤其是一些具有复杂曲面的钛合金部件(如涡轮叶片、人工关节)，目前主要通过手工进行抛光，效率较低且难以保证效果的均匀性，同时传统加工方法对钛合金工件进行抛光时，摩擦热的产生可能会造成金属黏结现象。

基于SIGINI子程序的零件残余应力变形数值模拟研究

不断提高，对航空器结构件的高精度制造提出了越来越严格的要求。目前飞机普遍采用由大型整块铝合金毛坯直接“掏空”加工而成的具有复杂槽腔、筋条、凸台和减重孔等特征的整体结构件。很多零件从毛坯到成品大概要去除８０％～９０％的材料，现代
［８］ＭａｒｔｉｎＷｉｔｔｙ，ＴｈｏｍａｓＢｅｒｇｓ，ＡｌｅｘａｎｄｅｒＳｃｈｆｅｒ，ｅｔａｌ．Ｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｇｅｏｍｅｔｒｙｆｏｒｐｌｕｎｇｅｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒａｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｄｉａＣＩＲＰ，２０１２（１）：５０６－５１１．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｄｉｅｆｏｒｇｉｎｇ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒｅｓｓｒｅｌｅａｓｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
引言
随着航空工业的发展和航空飞行器综合性能的
基金项目：国家自然科学基金（５１６７５４１７）；国家科技重大专项（２０１７ＺＸ０４０１１０１５）收稿日期：２０１９年１月
力仿真模型，采用用户子程序ＳＩＧＩＮＩ施加初始应力场，运用生死单元法对分层材料进行去除。结果表明，通过表
层残余应力试验数据逆向构建初始残余应力分布场计算变形的可行性，同时可以直观分析生死单元法逐层杀死单
元过程中，初始残余应力的释放过程，与零件加工后的变形测量结果对比，有较高的吻合性。
关键词：铝合金模锻件；残余应力；应力释放；有限元；子程序；变形
ＭａＬｉａｎｇｄｏｎｇ，ＹｉｎＪｉａ，ＡｎＰａｎ，ＺｈａｎｇＪｕｎ，ＧａｏＬｏｎｇｆｅｉ，ＺｈａｏＷａｎｈｕａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｉｒｃｒａｆｔ，ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｔｈｅｍａｉｎｌｏａｄｂｅａｒｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｂｌａｎｋｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｏｆｔｅｎｄｅｆｏｒｍｅｄａｆｔｅｒｍａｃｈｉｎｉｎｇｄｕｅｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ，ｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒｔｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｔｅｓｔｏｆｄｉｅｆｏｒｇｉｎｇｂｌａｎｋ，ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｉｓａｐｐｌｉｅｄｂｙｔｈｅｕｓｅｒｓｕｂｐｒｏｇｒａｍＳＩＧＩＮＩ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒａｔｉｆｉｅｄｍａｔｅｒｉａｌｉｓｒｅｍｏｖｅｄｂｙｔｈｅｂｉｒｔｈａｎｄｄｅａｔｈｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｖｅｒｓｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｉｅｌｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｒｅｌｅａｓｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｃａｎｂｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｋｉｌｌｉｎｇｔｈｅｕｎｉｔｌａｙｅｒｂｙｔｈｅｂｉｒｔｈａｎｄｄｅａｔｈｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｆｔｅｒｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒ．

不同粗糙度下磨削表面形貌特征与仿真研究

( ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｂａｓｅｄｏｎｆｒａｃｔａｌｔｈｅｏｒｙꎬ ｔｈｅｂｉｖａｒｉａｔｅＷ－Ｍｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｓｔｕｄｉｅｄꎬ ａｎｄｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｇｒｉｎｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｈｅｉｇｈｔ
中图分类号:ＴＧ５８０.６文献标志码:Ｂ文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０５￣０１１０￣０４
ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＧｒｉｎｄｉｎｇＳｕｒｆａｃｅＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙｕｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＲｏｕｇｈｎｅｓｓ
ＬＩＡＮＧＲｕｉꎬ ＣＨＥＮＧＤｏｎｇｃａｉꎬ ＪＩＡＮＧＦｅｎｇ

yD/μm
(a) Ra=0.8

xD/μm

yD/μm
(b) Ra=1.6

xD/μm
(c) Ra=3.2
－
(
ｃｏｓａｒｃｔａｎ
( ｙｘ ) －πｍＭ ) ＋ϕ ]}
ｍꎬｎ
(４)
为了得到随机相位下不同表面粗糙度的表面轮廓示
意图ꎬ现取样本长度Ｌ＝５ｍｍꎻ截止长度Ｌｓ＝１ｎｍꎻ随机相
位ϕ ｍꎬｎ不同ꎬ得到的表面轮廓的示意图也略有差别ꎮ ϕ ｍꎬｎ
可以用Ｍａｔｌａｂ中随机函数ｒａｎｄ( ) 与２π 的乘积来实现ꎬ于

不同形状磨粒随机分布磨料表面的三维建模仿真

不同形状磨粒随机分布磨料表面的三维建模仿真段念;王文珊;于怡青;黄辉【摘要】为了更准确地对不同形状磨粒的加工过程进行仿真,基于统计学的原理,利用打靶法模拟多颗不同形状(圆锥形、正四棱锥形、正三棱锥形以及半球形)的磨粒表面的随机分布,实现了通过设定不同的参数(粒度、出露高度、圆角半径、锥角),生成位置随机的三维磨料表面模型,并对结果做了相应的统计学验证,结果基本符合工程上的要求.模拟结果表明,磨粒尺寸的参数误差控制在1‰范围内,磨料地貌图中不存在磨粒重叠现象和空位现象,且磨粒分布相对较均匀.【期刊名称】《东华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(042)004【总页数】6页(P500-505)【关键词】磨料表面;统计学;随机分布;打靶法;磨粒【作者】段念;王文珊;于怡青;黄辉【作者单位】华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TG501磨削过程中的材料去除需要在磨料表面与工作表面发生物理接触的相对运动中实现.与材料发生接触摩擦的每颗磨粒的形状会在一定程度上影响材料去除的模式和工作表面的三维形貌.为了深入研究磨粒的形状对被加工表面三维形貌的影响机制，需要对符合工程实际的多颗磨粒随机分布的表面进行模拟，获得磨粒表面的几何模型，为后续的加工过程的仿真奠定基础.因此，对磨料表面地貌进行模型建立是精密加工领域一直以来的研究热点[1].目前已经有很多的试验技术被开发用于测量砂轮表面地貌，如轮廓测定法、显微镜观察法[2]、测力法[3]、划痕法、印痕法和热电偶法[3].但是通过试验获得的地貌数据受到微观观测方法及观测者个人主观的局限，且所得到的结果针对微纳米尺度精密加工过程而言，误差也较大.因此，对磨料表面进行建模是十分必要的.宏观砂轮形貌特征可从以下4个方面描述: 磨粒突出高度分布、静态平面颗粒密度、晶粒间距分布以及露出磨粒的投影面积百分比.这些指标均是随机变量，且每个磨料表面的特性都独立依赖于其制备过程中的修整情况和使用的技术[4].因此，在磨削系统中，磨料面的形成是一个随机性事件.随机模拟是一种多用途的数字技术，以随机抽样的方式来模拟，本质上是概率性的系统.对磨料面建立随机模型，用概率论和统计学的方法对其描述和求解是非常重要的一种方法.文献[5-6]将磨粒形状假设为带球头圆锥的形状生成了随机分布模型，但假设的形状单一，不符合工程中实际情况，且未考虑不同参数的设定.本文主要根据不同形状及形状参数的磨粒参数信息(几何参数和分布参数)，利用打靶法的原理来实现不同形状(圆锥形磨料面、正四棱锥形磨料面、三棱锥形磨料面以及半球形磨料面)磨粒的随机分布磨料表面模型，在此基础上，利用Fortran语言生成了不同形状金刚石磨粒随机分布的三维地貌表面模型.1.1 磨粒几何参数的确定尺寸为150～300 μm各种常见磨料的外观形貌如图1所示.由图1可知，在同样尺寸范围内，由于磨料材质的不同，其形状也是各异的.磨料形状的不规则性给模拟带来了很大困难，目前，主要是通过简化的方法将其固定为圆锥形、棱锥形、针形等形状.本文分别以带球头的圆锥形、正四棱锥形、三棱锥形以及半球形来模拟磨料的形状.不同形状磨粒及其参数图如图2所示.图2(a)中，带球头锥形磨料的形状参数包括球头半径( r)、锥台底面直径(D)、锥台高度(h)等.设定锥面与球面相切，则:图2(b)中，正四棱锥形磨料的形状参数包括棱线与高的夹角(θ)、正四棱锥底边长(L)及棱锥高度(h)，可得:图2(c)中，三棱锥形磨料的形状参数包括棱线与高的夹角(θ)、正三棱锥底边长(L)和棱锥高度(h)，可得:图2(d)中，半球形磨料的形状参数为球半径r.1.2 磨粒参数分布通过对金刚石磨粒做颗粒分布测试试验，先后分别使用不同目数的筛网过筛，统计出在各筛上留下的金刚石磨粒百分数，然后用正态概率坐标纸来确定磨料颗粒的分布情况.结果表明，金刚石磨粒粒径呈正态分布，并近似地估算出粒径的平均值为0.127 mm，标准差为0.059 mm.因此，本文中与磨料粒径相关的参数设定为正态分布，其余参数为均匀分布.2.1 磨料表面数据生成算法原理磨料面生成算法主要采用打靶法，即在给定的平面内，随机确定每个磨料的位置，每确定一个磨料的位置后，将其所处区域去除，然后在剩下的区域内确定下一个磨料的位置，并记忆其位置和形状参数，直至达到所要求的磨料面密度为止，从而生成一个磨粒随机分布的磨料面[5].以带球头的圆锥形磨料面为例，磨料面的长度和宽度确定以后，在磨料面内随机生成一点的x轴坐标x0和y轴坐标y0及磨料的直径D0，判断该点所确定的区域是否完全在磨料面内，如果是，则确定该点为磨料面的第一点，继而随机生成该磨料的高度 h0 和尖端半径 r0 或者锥角θ0，以结构型数组记忆第一颗磨料参数；反之，则重新生成.如果在磨料面内，则(D0+D1)/2<半球形磨料面的磨粒表面数据生成算法与带球头圆锥形磨料表面的数据生成算法类同.正三棱锥磨料表面上第一颗磨粒底面的外接圆直径为 0，内切圆直径为 0，则 0，若说明新生成的磨料位置有效.正四棱锥形磨料面的磨粒表面数据生成算法与正三棱锥形磨料表面数据生成算法类同.此处正四棱锥形磨粒底面的外接圆直径为 0，内切圆直径为L 0.2.2 算法模拟结果的验证以带球头圆锥为例，分别对给定数值的磨料底面直径、磨料高度和磨料尖端半径的数学期望及方差进行了检验，表 1～3分别为不同试验次数(N)下对应的磨粒底面直径、磨粒高度和磨粒尖端半径的数学期望(E(x)′)和方差(D(x)′).由大数定律可知，当试验次数很大时，有较大偏差的事件发生的可能性很小.由实际推断原理，在实际应用中，当试验次数很大时，便可以用事件发生的概率来代替事件的概率.可以看出，当试验次数达到 102 401次时，相对误差已控制在1‰以内，在工程上是符合要求的.3.1 基于DISLIN图像显示库的磨料表面数据可视化程序实现本文在Intel Visual Fortran 平台上，用支持Fortran语言的图像显示库DISLIN对打靶法生成的磨料面进行可视化编程.图3为磨料表面数据生成程序算法流程图. 以圆锥形磨粒为例，图4为基于DISLIN图像显示库的磨料表面显示算法流程图.当磨料面为圆锥形时，由式(1)三角变换后可得：3.2 结果分析图5为文献[8]应用Mente-Carlo法生成的磨料面仿真图. 由图5可知，其生成的最大磨料和最小磨料之间的尺寸偏差已经超过了设定的范围，而且出现了磨粒过密(重叠)现象和过疏(空位)现象.图6和7分别为3.5 mm×3.5 mm范围内的不同形状(圆锥形磨料面、正四棱锥形磨料面、三棱锥形磨料面以及半球形磨料面)磨粒的随机分布磨料表面地貌图，图中磨粒尺寸为0.127 mm，方差为5.9 μm，球头半径的分布区域为[2，8] μm，面密度值为48.5%.出露高度在后期可视化程序中实现，将出露高度控制在一定范围内，图中所示的出露高度范围(0，0.6 h).以圆锥形磨料面为例，对仿真得到的磨料面进行直观观察，由图6(a)的细节图可看出出露高度参差不齐的状态.图6(b)的俯视图中，磨料地貌图中不存在磨粒重叠现象和空位现象，且磨粒分布相对较均匀.磨粒尺寸的参数误差控制在1‰范围内，较之文献[8]的仿真结果更为合理.本文根据磨料表面随机参数信息，利用打靶法的原理来实现不同形状(圆锥形磨料面、正四棱锥形磨料面、三棱锥形磨料面以及半球形磨料面)磨粒的随机分布磨料表面模型，可以通过设定不同的参数(粒度、出露高度、圆角半径、锥角)得到相应的不同模型.在Intel Visual Fortran 平台上，用支持Fortran语言的图像显示库DISLIN对打靶法生成的磨料面进行可视化编程.仿真结果表明，磨料地貌图中不存在磨粒重叠现象和空位现象，磨粒分布相对较均匀, 且磨粒尺寸的参数误差控制在1‰范围内.这进一步证明了随机分布算法在磨料表面建模的可行性，对于深入研究磨粒的形状对被加工材料三维形貌的影响机制有着重要的意义.。

切削加工过程与残余应力仿真研究

切削加工过程与残余应力仿真研究切削加工是工程制造中常见的一种加工方法，它通过切削刀具对工件进行切削，以达到加工所需形状和尺寸的目的。

在切削加工过程中，会受到各种力的作用，这些力会引起工件表面和内部残余应力的产生。

残余应力是指在工件加工过程中留下来的一种内部应力，它可能对工件的性能和稳定性产生影响。

研究切削加工过程与残余应力之间的关系，对于提高加工质量和工件性能具有重要意义。

一、切削加工过程切削加工是通过切削刀具对工件进行材料去除和成形的过程。

在切削加工中，切削刀具对工件施加切削力，将工件材料从工件表面削除，形成所需的几何形状和尺寸。

切削过程中，切削刀具和工件之间的相对运动不断产生热量，加工区温度升高，切屑形成和切削力的产生也就随之而来。

切削过程中，材料的变形、断裂和磨损状况会直接影响切削加工的质量和效率。

切削加工的过程可分为粗加工和精加工两个阶段。

粗加工主要是为了去除工件上的多余材料，将工件形状和尺寸加工至接近要求值，粗糙度较大。

而精加工则是在已经做好的基础上，继续加工使其达到更加精密的形状和尺寸要求。

切削加工的过程不仅会引起工件表面和内部的变形、温度升高，还会在加工过程中产生残余应力，如果这些应力不能得到合理的释放和调整，会对工件的使用性能和稳定性产生不利影响。

二、残余应力仿真研究残余应力实际上是指在工件加工完毕之后，由于内部材料组织的非均匀性、相变和热量的不均匀分布等原因，工件内部产生的一种应力状态。

残余应力的存在将导致工件在使用过程中产生变形、开裂和疲劳等问题，因此对残余应力的研究具有极其重要的意义。

残余应力仿真研究是利用计算机模拟的方法，对切削加工过程中产生的残余应力进行分析和预测。

这种方法通过建立加工过程的数值模型，结合材料的力学性质和热物性参数，模拟加工过程中工件表面和内部的变形和应力分布，从而得到残余应力的大小和分布规律。

残余应力仿真研究的主要步骤包括：首先建立切削加工的数值模型，包括工件、刀具、切削参数等的几何和物理特性；然后设置材料的本构模型和热物性参数，以及数值仿真的边界条件和初始条件；接着通过数值计算的方法，对切削加工过程中工件的变形和应力进行仿真计算，得到残余应力的分布规律；对仿真结果进行分析和评价，为减小残余应力提出相应的措施和方法。

基于Deform 3D对磨削表面残余应力的仿真研究

精密制造与自动化
ｏ◇ ０・ ∈ ｏ— Ｅ９・０・ ∈ ｏ・ ◇ 。◇ ｏ・ ∈｝ｏ・Ｅ９・０ｅｏ
２０究３Ｏ
基于Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ对磨削表面残余应力的仿真研究
（上海大学
摘要
砂轮磨粒的破碎与脱落；（２）磨削过程中变形复杂，指导。生成层叠状挤裂切屑；（３）磨削力大、磨削温度高；（４）化学活性强，容易与空气中的氧气发生化学反１有限元模拟的理论基础应释放出大量的热量，使得磨粒表层逐层剥蚀，最１．１材料本构模型的建立终导致砂轮氧化磨损。在外圆磨削过程中，难加工材料钛合金（ＴＣ４）
钛合金的应用领域以及磨削加工的高精度决定
了其运用磨削加工的必要性。因钛合金应用领域之广泛，对其加工表面质量的研究尤为重要，而加工
处于高温、大应变和高应变率的情况并会发生热弹塑性变形，因此构建能够反映材料特点的材料本构模型是仿真结果的正确性和可靠性的基础和前提。选用Ｊｏｈｎｓｏｎ．Ｃｏｏｋ（Ｊ．Ｃ）材料本构模型描述工件材料最为合适。Ｊ．ｃ材料模型是一个能反应应变率强化效应和温升软化效应的理想刚塑性强化模型，该模型利用变量乘积关系分别描述应变、应变率和温度的影响。该模型具体表达式如下：

磨齿机加工中的表面残余应力与畸变分析

磨齿机加工中的表面残余应力与畸变分析引言随着现代工业的发展，磨齿机在齿轮加工中具有重要的作用。

在磨削过程中，由于加工载荷和温度的作用，会在齿轮表面产生残余应力和畸变。

这些残余应力和畸变对齿轮的性能和使用寿命产生重要的影响。

因此，磨齿机加工中的表面残余应力与畸变分析成为了齿轮加工中不可忽视的关键问题。

1. 磨齿机加工中的残余应力分析1.1 磨削过程中的残余应力形成机理磨削过程中的残余应力形成主要包括热应力、冷却应力和机械应力。

在齿轮磨削过程中，由于切削力的作用和磨料与工件之间的摩擦，会引起局部高温，造成表面金属的塑性变形和组织结构的改变，进而引起残余应力的形成。

1.2 残余应力的测试和分析方法为了有效评估磨削过程中表面的残余应力，研究人员开发了多种测试和分析方法。

例如，常用的非破坏性测试方法包括X射线衍射法、中子衍射法和光学法，这些方法可以测量表面的残余应力分布情况。

此外，还可以通过有限元模拟和数值分析方法来模拟和预测残余应力。

1.3 磨齿机参数对残余应力的影响在磨齿机加工中，加工参数对表面残余应力具有重要影响。

例如，切削速度、进给速度、磨料性能以及工件硬度等参数的变化都会直接影响残余应力的大小和分布。

因此，在实际生产中，需要通过调整磨齿机的加工参数来控制和优化残余应力的形成情况。

2. 磨齿机加工中的畸变分析2.1 畸变的形成机理在磨削过程中，由于残余应力的存在，会引起齿轮表面的畸变。

畸变主要包括弯曲畸变、扭曲畸变和平面度畸变等。

这些畸变会导致齿轮的尺寸和几何形状的变化，影响齿轮的装配和工作性能。

2.2 畸变的测量和分析方法为了准确评估磨削过程中表面的畸变情况，研究人员开发了多种测量和分析方法。

例如，常用的畸变测量方法包括光学法、三坐标测量法和激光扫描法。

这些方法可以测量表面的畸变分布情况，并通过数学模型和计算分析来评估畸变的大小和形状。

2.3 磨齿机参数对畸变的影响在磨齿机加工中，加工参数对表面畸变具有重要影响。

基于SPH方法的磨削机理仿真研究

基于SPH方法的磨削机理仿真研究徐士龙;林建中;杨玉廷【摘要】In order to investigate the mechanism of grinding, a SPH( smoothed particle hydrodynamics) method is used for single abrasive grain grinding simulation. The simulation of different grinding depth and negative rake angle of abrasive grain are analyzed according to the stress and deformation of workpiece material , and grinding chip formation mechanism. The results show that: the SPH method for grinding simulation can well explain the behavior of elastic and plastic deformation of workpiece material, and the mechanism of chip formation. There is a critical grinding depth that can just produce chips. The specific grinding energy on different grinding depth in the simulation can accord with the size effect of grinding. With the increase of negative rake angle of abrasive grain, the influence of extrusion is increasing and the influence of cutting is decreasing. The influence of extrusion is important for the quality of part surface.%采用光滑粒子流体动力学(SPH)法对单颗粒磨粒磨削过程进行了数值仿真.从工件材料的应力分布和变形情况以及切屑的形成情况对不同磨削深度和磨粒负前角下的仿真结果进行了分析.结果显示:基于SPH法的磨削仿真可以很好地解释磨削过程中工件材料的弹塑性变形行为和切屑的形成情况；在磨削过程中存在着一个刚好产生切屑的临界磨削深度；仿真中不同磨削深度下比磨削能的变化与磨削过程中的尺寸效应现象一致；随着磨粒负前角的增大,挤压作用增强而切削作用减弱,磨粒的挤压作用对工件表面质量具有重要影响.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】4页(P136-139)【关键词】比磨削能;单颗粒磨粒;光滑流体动力学法;负前角【作者】徐士龙;林建中;杨玉廷【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海200090;上海理工大学机械工程学院,上海200090;上海理工大学机械工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TG580.1随着各类高新技术产品对加工精度的要求越来越高，精密及超精密加工技术迅速发展。

磨削过程残余应力

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σRT=σF+σR+σL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。

不同磨削加工工艺对轴承钢球残余应力的影响

、衍射晶面间距=nλ然后经过特定的软件计算应力的方向和大小，由图可知：强化-硬磨后的钢球的表面残余应力值较高，范围在-1061~-1252MPa之间，精研下车后的表面应力在-834~-1036MPa之间。

而钢球热处理后直接硬磨-强化后钢球表面应力在-757~-931MPa之间，精研下车的表面应力在-622~-758MPa之间。

通过测试数据说明，加工工艺对成品球表面残余应力值大小有直接关系，最大数据差在-500MPa左右。

钢球强化过程，是伴随着强化机的旋转碰撞和自高点图2直径12.7mm工序应力变化趋势图图1直径12.7mm工序应力变化趋势图国外某成品钢球与工艺一、工艺二剥层数据如如图由图5、图6对比趋势图来看，国内外钢球的应力趋势与工艺二的钢球应力趋势图基本相同，应力值先减小再增大，在距表面深度0.10~0.14mm 区间达到最大峰值，后逐步减小。

工艺一的趋势图，表面是最高的压应力，深度的增加，压应力逐步减小。

最大区别在于工艺一的成品球次表层不存在压应力的最大峰值，而是呈现直线降低的趋势。

因此工艺一的成品球剥层应力趋势图不利于提高钢球的疲劳寿命。

力分析，成品钢球的应力分布状态与强化后的去数量有直接关系。

②通过成品球剥层应力对比说明：钢球加工工艺二钢球次表层在0.10~0.15mm 之间出现强化峰值，可提高钢球的疲劳寿命。

参考文献:[1]GB/T7704-2017，无损检测X 射线应力测定法[S].[2]YB/T5338-2006，钢中残余奥氏体定量测定X 射线衍射仪法[S].[3]强智臻，郭昌明，柳岩，熊毕伟.柴油机气门座孔磨削工艺图4图3图5图6。

18CrNiMo7–6钢高速外圆磨削残余应力和硬度的试验分析

2021年2月第1期第41卷总第241期金刚石与磨料磨具工程D i a m o n d&A b r a s i v e sE n g i n e e r i n gF e b.2021N o.1 V o l.41 S e r i a l24118C r N i M o7-6钢高速外圆磨削残余应力和硬度的试验分析*张银霞,原少帅,王子乐,杨鑫,郜伟(郑州大学机械与动力工程学院/抗疲劳制造技术河南省工程实验室,郑州450001)摘要针对18C r N i M o7-6渗碳钢工件,以砂轮线速度v s㊁工件转速n w㊁砂轮径向进给速度v f r和砂轮C B N 磨料粒度为变量设计单因素试验,分别采用X射线残余应力分析仪和显微硬度计对工件的表面残余应力和硬度进行检测㊂结果表明:高速外圆磨削可为18C r N i M o7-6渗碳钢工件的表面引入残余压应力,X方向的压应力小于Y方向的压应力,同时高速外圆磨削可以提高工件表面的硬度;随着v s的增大,残余压应力先增大后趋于平稳,硬度先减小后增大且在v s为75m/s时最小;随着n w的增大,工件表面残余压应力和硬度的变化不具单调性;v f r对工件表面残余压应力和硬度的影响较大,线性拟合后残余压应力和硬度整体上均呈减小趋势;不同C B N磨料粒度砂轮磨削在工件表面产生残余压应力和硬度的大小依次为M10/20最大, 120/140次之,230/270最小;18C r N i M o7-6钢表面存在拉应力时硬度较低,表面存在压应力时硬度较高㊂关键词高速外圆磨削;砂轮线速度;砂轮C B N磨料粒度;残余应力;硬度中图分类号 T G58文献标识码A 文章编号1006-852X(2021)01-0065-06D O I码10.13394/j.c n k i.j g s z z.2021.1.0011E x p e r i m e n t a l a n a l y s i s o f r e s i d u a l s t r e s s a n d h a r d n e s s o f18C r N i M o7-6s t e e li n h i g h s p e e d c y l i n d r i c a l g r i n d i n gZ H A N G Y i n x i a Y U A N S h a o s h u a i W A N G Z i l e Y A N G X i n G A O W e i S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g H e n a n K e y E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y o f A n t i-f a t i g u eM a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y Z h e n g z h o u450001C h i n aA b s t r a c t F o r18C r N i M o7-6c a r b u r i z e d s t e e l w o r k p i e c e a s i n g l e f a c t o r t e s t w a s d e s i g n e d s t u d y i n g t h e w h e e l s p e e d t h e w o r k p i e c e s p e e d t h e f e e d r a t e a n d t h e a b r a s i v e s i z e X-r a y r e s i d u a l s t r e s s a n a l y z e r a n d m i c r o h a r d n e s s t e s t e r a r e u s e d t o d e t e c t t h e r e s i d u a l s t r e s s a n d h a r d n e s s T h e r e s u l t s s h o w t h a t h i g h-s p e e d c y l i n d r i c a l g r i n d i n g c a n i n t r o d u c e r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s t o t h e s u r f a c e o f t h e w o r k p i e c e a n d t h a t t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s i n t h e X d i r e c t i o n i s l e s s t h a n t h a t i n t h e Y d i r e c t i o n M e a n w h i l e h i g h-s p e e d c y l i n d r i c a l g r i n d i n g c a n i m p r o v e t h e s u r f a c e h a r d n e s s o f t h e w o r k p i e c e W i t h t h e i n c r e a s e o f w h e e l s p e e d t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n t e n d s t o b e s t a b l e w h i l e t h e h a r d n e s s d e c r e a s e s f i r s t a n d t h e n i n c r e a s e s a n d t h e m i n i m u m v a l u e i s o b t a i n e d w h e n t h e s p e e d i s75m s W i t h t h e i n c r e a s e o f w o r k p i e c e s p e e d t h e c h a n g e o f r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s a n d h a r d n e s s i s n o t m o n o t o n i c T h e f e e d r a t e h a s a g r e a t i n f l u e n c e o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s a n d h a r d n e s s o f t h e w o r k p i e c e s u r f a c e w h i c h a r e r e d u c e d i n g e n e r a l a f t e r l i n e a r f i t t i n g G r i n d i n g w h e e l s w i t h d i f f e r e n t CB N a b r a s i v e g r a i n s i z e s p r o d u c e d i f f e r e n t c o m p r e s s i v e s t r e s s a n d h a r d n e s s o n t h e s u r f a c e o f t h e w o r k p i e c e n a m e l y M1020p r o d u c e s t h e l a r g e s t f o l l o w e d b y120140a n d t h e n230270 t h e s m a l l e s t O n t h e s u r f a c e o f t h e w o r k p i e c e t h e h a r d n e s s i s l o w w h e n t h e r e i s t e n s i l e s t r e s s a n d t h e h a r d n e s s i s h i g h w h e n t h e r e i s c o m p r e s s i v e s t r e s sK e y w o r d s h i g h s p e e d c y l i n d r i c a l g r i n d i n g l i n e a r s p e e d o f g r i n d i n g w h e e l C B N a b r a s i v e s i z e o f g r i n d i n g w h e e l r e s i d u a l s t r e s s h a r d n e s s*基金项目:国家自然科学基金重点项目(U1804254);国家留学基金委项目(201907045070);河南省自然科学基金(162300410244)㊂Copyright©博看网 . All Rights Reserved.金刚石与磨料磨具工程总第241期高速/超高速磨削具有高的材料磨除率,能够实现低能耗加工和难磨除材料的高效率低损伤磨削[1]㊂超高速磨削可以提高生产效率,提高零件质量[2]㊂高速/超高速磨削加工能够保证产品零件的高精度和高表面质量,已经成为现代磨削的重要发展趋势[3]㊂表面完整性不仅包含表面形貌特征,也包含表面物理化学变化特征[4]㊂磨削表面完整性包括:表面粗糙度㊁波度㊁硬度㊁残余应力㊁组织相变等,各因素之间有一定的关系[5]㊂残余应力和硬度作为表面完整性的2个重要指标,得到了国内外学者的广泛关注㊂王栋等[6]进行了高速平面磨削试验,揭示了磨削参数对18C r N i M o7-6钢表面硬度的变化规律㊂张银霞等[7]探究了研磨工艺对18C r N i M o7-6钢残余应力的影响㊂Z H O U等[8]通过正交试验,研究了工艺参数对G C r15合金钢表面完整性的影响㊂N I等[9]进行了高速外圆磨削试验,砂轮线速度最高为80m/s,探究了磨削参数对S i C材料残余应力的影响㊂黄惠茹等[10]采用剥层法,探索了45钢的工件硬度和残余应力,指出残余应力和硬度存在一定的幂函数关系㊂孙渊等[11]分析了残余应力对工件硬度的影响,指出残余应力不同对硬度的影响不同㊂18C r N i M o7-6为欧洲标准的一种优质表面渗碳钢,该钢表面硬度高㊁耐磨性好,由于其优越的力学性能,该材料被用于锻造大型部件(如直升机轴)等诸多领域[12–13]㊂目前,关于18C r N i M o7-6钢高速外圆磨削的研究较少,本试验通过单因素试验探究了砂轮线速度㊁工件转速㊁砂轮径向进给速度及砂轮C B N磨料粒度对18C r N i M o7-6钢表面残余应力和硬度的影响,砂轮线速度最高达到120 m/s,建立残余应力和硬度的定性关系㊂1试验样件与方法1.1试验样件试验样件为18C r N i M o7-6合金钢,该样件经920ħ渗碳㊁830ħ淬火并回火,热处理后的化学成分含量见表1所示,热处理的样件在普通磨床磨削加工后尺寸为ϕ35mmˑ80mm㊂1.2试验设备及方案磨削试验首先在MK1320型普通外圆磨床上进行,以去除工件表面渗碳处理形成的黑色氧化皮,然后通过C N C8325型超高速凸轮轴复合磨床进行高速外圆磨削试验㊂高速外圆磨削所用的砂轮由郑州磨料磨具磨削研究所有限公司生产提供,为陶瓷结合剂C B N 砂轮(V-C B N),砂轮相关参数见表2所示;修整轮选用烧结金刚石滚轮(规格参数代号为S-14A1-125ˑ12ˑ28ˑ2.2ˑ8)㊂表118C r N i M o7-6材料化学成分含量T a b.118C r N i M o7-6m a t e r i a l c h e m i c a l c o m p o s i t i o n c o n t e n t 元素名称质量分数w/%C0.15~0.21S i0.15~0.40M n0.60~0.90S<0.012P<0.020C r1.50~1.80N i1.40~1.70M o0.25~0.35F e<96.00表2砂轮相关参数T a b.2G r i n d i n g w h e e l r e l a t e d p a r a m e t e r s参数名称规格或数值砂轮类型V-C B N形状尺寸代号14A1500ˑ30ˑ127ˑ5ˑ20 C B N粒度120/140,230/270,M10/20 C B N浓度175%砂轮最高转速ɤ125m/s残余应力检测设备为加拿大P r o t o公司的大功率X射线衍射残余应力分析仪,硬度检测设备为H V-1000型显微硬度计,设备如图1所示㊂(a)X射线衍射残余应力分析仪X-r a y d i f f r a c t i o n r e s i d u a l s t r e s s a n a l y z e r(b)H V-1000型显微硬度计H V-1000m i c r o h a r d n e s s t e s t e r图1残余应力分析仪和显微硬度计F i g.1R e s i d u a l s t r e s s a n a l y z e r a n d m i c r o h a r d n e s s t e s t e r高速外圆磨削圆柱工件的结构如图2所示,残余应力检测[14]包括X方向和Y方向,即圆柱工件的周向和轴向;硬度检测[15]沿圆柱工件的周向㊂残余应力分析仪选用的靶材为C r-Kα,衍射晶面{211},光斑直径为1 m m;硬度检测类型为洛氏硬度H R C,加载力为1N,保66Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第1期张银霞,等:18C r N i M o7-6钢高速外圆磨削残余应力和硬度的试验分析载时间15s㊂高速外圆磨削试验方案见表3所示㊂图2工件结构及X㊁Y方向示意F i g.2W o r k p i e c e s t r u c t u r e a n d X,Y d i r e c t i o n s表3高速外圆磨削试验方案T a b.3T e s t s c h e m e f o r h i g h s p e e d c y l i n d r i c a l g r i n d i n g参数名称规格或数值砂轮线速度v s/(m/s)60,75,90,105,120工件转速n w/(r/m i n)30,45,60,75,90砂轮径向进给速度v w/(mm/m i n)0.2,0.3,0.4,0.5,0.6砂轮C B N磨料粒度120/140,230/270,M10/20磨削深度a p/mm0.5磨削液水基21-2型磨削方式单程切入式逆磨2试验结果与讨论2.1砂轮线速度对残余应力和硬度的影响砂轮线速度对残余应力的影响如图3所示㊂由图3可知:随着砂轮线速度v s的增大,工件表面X㊁Y方向的残余压应力绝对值均先增大后趋于平稳,且X方向残余压应力绝对值小于Y方向的(图3中,负值表示残余压应力,正值表示残余拉应力)㊂这是因为随着v s的增大,单位时间内参与磨削的磨粒数目增加,磨粒与工件的摩擦㊁挤压作用增大,磨削温度升高,但高速磨削使工件表面热能传导到下一层之前就被磨屑带走,所以热应力的影响较小,此时机械应力影响较大,残余压应力增大㊂砂轮线速度对硬度的影响如图4所示㊂由图4可知:随着v s的增大,工件表面硬度先减小后增大,硬度值在v s为75m/s时最小㊂这是因为,工件硬度的高低是磨削产生的加工硬化和温度对材料的软化综合作用的结果㊂根据图4曲线,当v s处于60~75m/s时,磨削温度升高,工件表面材料软化,硬度值有所降低㊂当v s处于90~120m/s时,高速磨削突破了临界速度,磨削温度降低,材料软化程度下降,同时v s的增大使工件表面加工硬化效果更加突出,故硬度增大㊂图3砂轮线速度对残余应力的影响F i g.3E f f e c t o f w h e e l s p e e d o n r e s i d u a l s t r e ss图4砂轮线速度对硬度的影响F i g.4E f f e c t o f w h e e l s p e e d o n h a r d n e s s2.2工件转速对残余应力和硬度的影响工件转速对残余应力的影响如图5所示㊂由图5可知:随着工件转速n w的增大,X㊁Y方向的表面残余压应力绝对值均先增大后出现波动㊂这是因为n w的增大导致v s与n w的磨削速比q减小,磨屑形状加大,磨削加剧,磨削温度升高,残余压应力绝对值在机械应力和热应力的综合影响下逐渐增大;随着n w的持续增大,材料去除率及磨屑脱落速度增大,磨屑带走了大量热能,此时热应力的影响减小,残余压应力出现波动㊂图5工件转速对残余应力的影响F i g.5E f f e c t o f w o r k p i e c e s p e e d o n r e s i d u a l s t r e s s76Copyright©博看网 . All Rights Reserved.金刚石与磨料磨具工程总第241期工件转速对硬度的影响如图6所示㊂由图6可知:随着工件转速n w 的增大,工件表面硬度先略微增大,随后减小又增大㊂这是因为当工件转速n w 处于30~75r /m i n 时,工件与砂轮的磨削加剧,致使磨削温度升高,材料发生软化,故硬度整体上呈减小趋势,随着n w 的持续增大,磨屑脱落速度加快使一部分热能散出,磨削温度下降,材料软化程度下降,故硬度略有提高㊂图6 工件转速对硬度的影响F i g .6E f f e c t o f w o r k p i e c e s pe e d o n h a r d n e s s 2.3 砂轮径向进给速度对残余应力和硬度的影响砂轮径向进给速度对残余应力的影响如图7所示㊂由图7可知:随着砂轮径向进给速度v f r 的增大,X ㊁Y 方向的表面残余压应力绝对值整体上均有减小的趋势;当v f r 为0.6mm /m i n 时,X 方向的残余压应力最小值为-98.89M P a ;当v f r 为0.5mm /m i n 时,Y 方向的残余压应力最小值为-198.18M P a㊂这是因为v f r 增大,使得砂轮的径向磨损增大,磨削温度升高,磨削热造成的热塑性变形加大,此时热应力的影响较大,残余压应力整体上逐渐减小㊂图7 砂轮径向进给速度对残余应力的影响F i g.7E f f e c t o f w h e e l f e e d r a t e o n r e s i d u a l s t r e s s 砂轮径向进给速度对硬度的影响如图8所示㊂由图8可知:随着砂轮径向进给速度v f r 的增大,工件表面的硬度整体上呈减小趋势,硬度值在拟合线附近上下波动,v f r 为0.6mm /m i n 时,硬度取得最小值为52.30H R C ㊂这是因为v f r 增大使相同时间内参加磨削的磨粒数增加,磨削温度升高,温度对材料软化的影响程度增大,硬度整体上逐渐减小㊂图8 砂轮径向进给速度对硬度的影响F i g.8E f f e c t o f w h e e l f e e d r a t e o n h a r d n e s s 2.4 砂轮C B N 磨料粒度对残余应力和硬度的影响砂轮C B N 磨料粒度对残余应力的影响如图9所示㊂由图9可知:不同C B N 磨料粒度砂轮高速磨削后工件表面残余应力绝对值的大小依次为M 10/20的最大,120/140的次之,230/270的最小,X ㊁Y 方向趋势一致,且均为残余压应力㊂究其原因,M 10/20磨粒尺寸较小,拥有较强自锐性以满足新磨粒的出露,同时,较小的磨粒与工件磨削引起的塑性变形小,产生的磨削热较少,磨削热引起的拉应力被抑制,故工件表面的残余压应力较大;120/140的砂轮磨粒较大,磨削过程中单颗磨粒的切削力较大,产生的磨削温度较高,磨削热造成的热塑性变形较大,残余压应力在热应力的影响下较小;230/270的磨粒尺寸介于前两者之间,但砂轮内部气孔尺寸较120/140砂轮的小,砂轮自锐性又不如M 10/20,因此散热较差,磨削产生的温度最高,热应力的影响最大,工件表面残余压应力绝对值最小㊂砂轮粒度对硬度的影响如图10所示㊂由图10可知:不同粒度砂轮高速磨削后工件表面硬度的大小依次为M 10/20的最大,120/140的次之,230/270的最小㊂由以上分析,230/270的砂轮磨削时产生的磨削温度最大,材料受温度软化的程度最高,故硬度最小;120/140的砂轮磨粒尺寸大,但其较大的气孔尺寸使一部分磨削热有效散出,材料软化程度较低,其磨削后工件表面硬度较大;M 10/20砂轮自锐性较强,磨粒尺寸最小,引起的塑性变形及磨削温度较前两者最小,材料软化程度最低,故其磨削后工件表面硬度最大㊂86Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第1期张银霞,等:18C r N i M o 7-6钢高速外圆磨削残余应力和硬度的试验分析图9 砂轮C B N 磨料粒度对残余应力的影响F i g .9E f f e c t o f C B N a b r a s i v e s i z e o f g r i n d i n gw h e e l o n r e s i d u a l s t r e ss图10 砂轮C B N 磨料粒度对硬度的影响F i g .10E f f e c t o f C B N a b r a s i v e s i z e o f g r i n d i n gw h e e l o n h a r d n e s s2.5 残余应力和硬度的相关性热处理后的工件通过普通外圆磨床加工,得到ϕ35m mˑ80m m 的原始工件,选择5组原始工件,分别测得其表面残余应力和硬度值,如图11所示㊂从图11可以看出:5组原始工件表面X ㊁Y 方向的残余应力均为残余拉应力,工件表面的硬度值区间为45.8~53.1H R C ㊂图11 原始工件表面残余应力与硬度曲线F i g .11R e s i d u a l s t r e s s a n d h a r d n e s s c u r v e o f o r i g i n a l w o r k pi e c e 高速外圆磨削不同工艺参数对工件表面周向残余应力和硬度的影响如图12所示(实线对应残余应力,虚线对应硬度),横轴分别对应表3中单因素变量的各个水平㊂从图12可以看出:高速外圆磨削可为工件表面引入残余压应力,工件表面的硬度区间为52.30~58.75H R C ,残余压应力大的位置对应的硬度也较大,反之亦同㊂通过对比图11㊁图12可以看出:对于18C r N i M o 7-6渗碳钢,其高速外圆磨削前后工件表面的残余应力和硬度有如下关系:工件表面存在拉应力时硬度值较低,工件表面存在压应力时硬度值较高㊂图12 工艺参数对残余应力和硬度的影响F i g.12E f f e c t o f p a r a m e t e r s o n r e s i d u a l s t r e s s a n d h a r d n e s s 3 结论(1)对于18C r N i M o 7-6渗碳钢,高速外圆磨削可为工件表面引入残余压应力,X 方向的残余压应力绝对值小于Y 方向的值;同时,高速外圆磨削可以提高工件表面的硬度㊂(2)随着砂轮线速度v s 的增大,工件表面残余压应力绝对值先增大后趋于平稳,工件表面硬度先减小后逐渐增大;工件转速n w 对工件表面残余压应力和硬度的影响不具单调性;工件表面残余压应力绝对值和硬度随着砂轮径向进给速度v f r 的增大整体上均呈减小趋势;不同磨料粒度砂轮磨削在工件表面产生残余压应力绝对值和硬度的大小依次为M 10/20的最大,120/140的次之,230/270的最小㊂(3)18C r N i M o 7-6渗碳钢高速外圆磨削时的残余应力和硬度有如下关系:表面存在拉应力时硬度值较低,表面存在压应力时硬度值较高㊂高速外圆磨削工艺使工件表面的应力由拉应力变为压应力,表面硬度值提高了11%~14%,这对于提高零件的疲劳强度,延长疲劳寿命有着较为重要的意义㊂96Copyright©博看网 . All Rights Reserved.金刚石与磨料磨具工程总第241期参考文献:1盛晓敏谢桂芝尚振涛高速超高速磨削工艺M北京科学出版社2015S H E N G X i a o m i n X I E G u i z h i S HA N G Z h e n t a o H i g h s p e e d u l-t r a h i g h s p e e d g r i n d i n g p r o c e s s M B e i j i n g S c i e n c e P r e s s20152 Y A N G L F U Y C X U J H e t a l U l t r a-h i g h-s p e e d g r i n d i n gT h e o r e t i c a l b a s i s a n d d e v e l o p m e n t o f a g r i n d i n g m a c h i n e t o o l JK e y E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s2013589-590293-2983李伯民赵波李清磨料㊁磨具与磨削技术M北京化学工业出版社2016L I B o m i n Z HA O B o L I Q i n g A b r a s i v e a b r a s i v e t o o l s a n dg r i n d i n g t e c h n o l o g y M B e i j i n g C h e m i c a l I n d u s t r yP r e s s20164何柏林邓海鹏表面完整性研究现状及发展趋势J表面技术2015449140–146152H E B o l i n D E N G H a i p e n g R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n tt r e n d o f s u r f a c e i n t e g r i t y J S u r f a c e T e c h n o l o g y2015449140-1461525李伯民赵波现代磨削技术M北京机械工业出版社2003L I B o m i n Z H A O B o M o d e r n g r i n d i n g t e c h n o l o g y M B e i-j i n g M a c h i n e r y I n d u s t r y P r e s s20036王栋刘昱范陈鑫18C r N i M o7-6高速磨削条件下表面质量的试验研究J郑州大学学报工学版201738378–8186WA N G D o n g L I U Y u f a n C H E N X i n E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n s u r f a c e q u a l i t y o f18C r N i M o7-6u n d e r h i g h s p e e d g r i n d i n g JJ o u r n a l o f Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y E n g i n e e r i n g E d i t i o n201738 378-81867张银霞王文广郜伟等研磨工艺对18C r N i M o7-6钢表面粗糙度和残余应力的影响J表面技术2020491343–348Z H A N G Y i n x i a W A N G W e n g u a n g G A O W e i e t a l E f f e c t o fg r i n d i n g p r o c e s s o n s u r f a c e r o u g h n e s s a n d r e s i d u a l s t r e s s o f18C r N i M o7-6s t e e l J S u r f a c e T e c h n o l o g y2020491343-348 8 Z H O U C Q I A N J X I N G Y e t a l O p t i m i z a t i o n o f t h e g r i n d i n gp r o c e s s t o i m p r o v e t h e s u r f a c e i n t e g r i t y o f b e a r i n g r a c e w a y s JT h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o-g y2017919-124243-42529 N I J M L I B Z P A N G J Z H i g h-s p e e d c y l i n d r i c a l g r i n d i n g o fS i C t h e p r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c s a n d s u r f a c e i n t e g r i t y J C e r a m i cE n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e P r o c e e d i n g s201314170-7610黄惠茹李晓阳张琳琳等淬火低碳钢硬度㊁残余应力和微观组织间的关系J科学技术与工程20171734191–196HU A N G H u i r u L I X i a o y a n g Z H A N G L i n l i n e t a l T h e r e l a-t i o n s h i p b e t w e e n h a r d n e s s r e s i d u a l s t r e s s a n d m i c r o s t r u c t u r e o f q u e n c h e d m i l d s t e e l J S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g20171734191-19611孙渊张栋午丽娟等材料残余应力对硬度测试影响程度的分析J华东理工大学学报自然科学版2012385652–656S U N Y u a n Z H A N G D o n g WU L i j u a n e t a l A n a l y s i s o f t h ei n f l u e n c e d e g r e e o f m a t e r i a l r e s i d u a l s t r e s s o n h a r d n e s s t e s t JJ o u r n a l o f E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a t-u r a l S c i e n c e E d i t i o n2012385652-65612 S P R I N G E R P P R A H L U C h a r a c t e r i s a t i o n o f m e c h a n i c a l b e-h a v i o r o f18C r N i M o7-6s t e e l w i t h a n d w i t h o u t N b u n d e r w a r mf o rg i n g c o n d i t i o n s th r o u g h p r o c e s si n g m a p s a n a l y s i s J J o u r n a lo f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y2016237216-23413张银霞陈欢郜伟等18C r N i M o7-6钢渗碳淬火过程的数值研究J热加工工艺20174618238–241Z H A N G Y i n x i a C H E N H u a n G A O W e i e t a l N u m e r i c a l s t u d y o n c a r b u r i z i n g a n d q u e n c h i n g p r o c e s s o f18C r N i M o7-6s t e e lJ H o t P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y20174618238-24114王海斗朱丽娜邢志国表面残余应力检测技术M北京机械工业出版社2013W A N G H a i d o u Z H U L i n a X I N G Z h i g u o S u r f a c e r e s i d u a l s t r e s sd e t e c t i o n t e c h n o l o g y M B e i j i n g M a c h i n e r y I n d u s t r y P r e s s2013 15任敬心华定安磨削原理M北京电子工业出版社2011 R E N J i n g x i n H U A D i n g a n G r i n d i n g p r i n c i p l e M B e i j i n g E l e c-t r o n i c I n d u s t r y P r e s s2011作者简介张银霞,女,1974年生,博士㊁副教授㊂主要研究方向:抗疲劳制造技术和精密超精密加工技术㊂E-m a i l:z h a n g y i n x i a@z z u.e d u.c n通信作者:原少帅,男,1995年生,硕士研究生㊂主要研究方向:抗疲劳制造技术和精密超精密加工技术㊂E-m a i l:1146970305@q q.c o m㊂(修回日期:2020–06–10)(编辑:王洁)07Copyright©博看网 . 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切削加工表面残余应力研究综述

切削加工表面残余应力研究综述王增强;刘超锋【摘要】主要研究了切削加工过程中残余应力产生的机理，并对残余应力的测量方法以及残余应力的调整和消除手段进行了较为系统的阐述和比较，提出了在残余应力检测和消除领域的一些建议，为进一步研究提供参考和借鉴。

【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P26-30)【作者】王增强;刘超锋【作者单位】西北工业大学现代设计与集成制造教育部重点实验室;西北工业大学现代设计与集成制造教育部重点实验室【正文语种】中文残余应力主要是由构件内部不均匀的塑性变形引起的。

各种工程材料和构件在毛坯的制备、零件的加工、热处理和装配的过程中都会产生不同程度的残余应力。

残余应力因其直观性差和不易检测等因素往往被人们忽视。

残余应力严重影响构件的加工精度和尺寸稳定性、静强度、疲劳强度和腐蚀开裂。

特别是在承力件和转动件上，残余应力的存在易导致突发性破坏且后果往往十分严重。

因此，自20世纪50年代以来国内外技术人员花费了大量的精力研究残余应力的产生机理、检测手段、消除方法以及残余应力对构件的影响[1]。

Guo等通过试验的方法研究了车削和磨削产生的不同性质的残余应力对工件疲劳强度的影响[2]；Seo等通过试验和有限元模拟的方法揭示了在车轮制造和火车刹车过程中引起的残余应力和火车车轮疲劳寿命之间的代数关系[3]；Liu等用试验的方法研究了残余应力对滚动接触疲劳强度的影响[4]；董辉跃等研究了材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形[5]；孙杰等基于理论计算和有限元模拟,研究了毛坯的初始残余应力对大型整体结构件数控加工变形的影响[6]；Hiroyuki等研究了不同加工参数引起的残余应力对零件疲劳强度的影响[7]，并且结合正交切削模型和刀尖圆角压痕模型建立了残余应力预测模型[8]；王立涛对于铣削加工航空框类整体结构件时的残余应力和变形机理进行了研究，并将研究成果应用于实际生产[9]。

单颗磨粒磨削成屑机理的分子动力学模拟

０引言
工程陶瓷、单晶硅、光学玻璃等硬脆材料已在航空航天、汽车、能源装备、模具和通用机械等高新领域获得日益广泛的应用，由于其 “ 硬脆 ” 性质，使用超硬磨料在高速或超高速条件下对硬脆材料进行磨削加工几乎成为唯一的加工手段 … ，磨削加工的费用
文章编号：１００１— ２２６５（２０１３）１０— ００１４— ０６
单颗磨粒磨削成屑机理的分子动力学模拟术
李大虎，李蓓智
（东华大学机械工程学院，上海２０１６２０）摘要：运用分子动力学仿真软件，模拟了单颗金刚石磨粒在不同工艺参数下磨削碳化硅工件的过程，并根据仿真结果，用位错理论对磨削过程成屑机理进行了解释，包括砂轮速度，工件速度，磨削深度对成屑过程带来影响的机制，以及延性域磨削的可行性。对于进一步研究高速磨削机理打下基础，对指导优化工艺参数具有理论指导意义。关键词：单颗磨粒磨削；成屑机理；位错理论；分子动力学
等参数对成屑过程产生影响的物理机制。对进一步理解高速磨削的机理和优化工程实验有一定的指导意义。
１仿真实验
１．１模型的几何基础切屑形状的统计平均假设在磨削过程中，参与材料去除的磨粒数量庞大，由于每个磨粒高低不同，划过材料表面时深浅不一，因此实际过程中带走的材料体积也不一样，同时，陶瓷材料的硬脆性使得去除过程类似 “ 崩碎” ，每个磨粒切下的材料形状随机性很大，导致单独看每个磨粒的磨削力随机性很大，这两点随机性就阻碍我们通过宏观数据来分析微观机理，为研究带来麻烦，而事实上，磨削过程中的各

切削加工中残余应力产生的原因及影响残余应力的因素

切削加工中残余应力产生的原因及影响残余应力的因素什么是残余应力？残余应力是指在没有外力作用的情况下，在物体内保持平衡而存留的应力。

残余应力分为残余拉应力（+σ）和残余压应力(-σ)。

为了区别表层的残余应力与物体内层金属中的残余应力，因此表层残余应力的符号相反。

切削加工后的已加工表面常有残余应力。

关于残余应力的发生机理，从理论上定量分析目前还存在一些困难，以下仅从概念上来定性分析残余应力的产生原因。

1．机械应力引起的塑性变形切削过程中，切削刃前方的晶粒一部分随切屑流出，另一部分留在已加工表面上；在分离处的水平方向，晶粒受压；而在垂直方向则晶粒受拉，故形成残余拉应力。

另外，在已加工表面形成过程中，刀具的后刀面与已加工表面产生很大的挤压与摩擦，使表层金属产生拉伸塑性变形；刀具离开后，在里层金属作用下，表层金属产生残余压应力。

2．热应力引起的塑性变形切削时，由于强烈的塑性变形与摩擦，使已加工表面层的温度很高，而里层温度很低，形成不均匀的温度分布。

因此，温度高的表层，体积膨胀，将受到里层金属的阻碍，从而使表层金属产生热应力。

当热应力超过材料的屈服极限时，将使表层金属产生压缩塑性变形。

切削后冷却至室温时，表层金属体积的收缩又受到里层金属的牵制．因而使表层金属产生残余拉应力。

3．相变引起的体积变比切削时，若表层温度大于相变温度，则表层组织可能发生相变。

由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。

如高速切削碳钢时，刀具与工件接触区的温度可达600～800℃；而碳钢在720℃发生相变，形成奥氏体，冷却后变为马氏体。

由于马氏体的体积比奥氏体大，因而表层金属膨胀，但受到里层金属的阻碍，从而使表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。

当加工淬火钢时，若表层金属产生退火，则马氏体转变为屈氏体或索氏体，因而表层体积缩小；但受到里层金属的牵制，从而使表层产生残余拉应力。

已加工表面层内呈现的残余应力是上述诸原因所导致残余应力的综合结果，而最后已加工表面层内残余应力的大小及符号，则由其中起主导作用的因素所决定。