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：σRT——磨削表面残余应力
σF——磨削力的影响
σR——磨削温度的影响
σL——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——两个弹簧被放入刚性板后弹簧的内力
l1、l2——两个弹簧在自由状态下的长度
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，内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σ与应变ε关系的简化模型。从图中可知
εB=(σB-σS)/E1+εSε＇A=εB/E
式中：σS——材料的屈服限
σB——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σ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εB沿斜率OA释放后残留为εp
εp=εB-ε＇A=(σB-σS)/E+εS+σB/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，残余应力与磨削力呈线性关系，两者关系可表示为σF=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
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σ，该应力随温度升高而线性增大，其值大致为
σ=α′E?θ
式中：α′——线膨胀系数
E——材料的弹性模量
?θ——温升
当磨削温度继续升高至θA时，热应力达到材料的屈服限，如温度再升高(θA→θB),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σB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
σθ=σD-σBσD=α′EθB
如果认为σB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
σθ=α′EθB-B0θB+D2=Bθ+D2
式中B0、B、D2——系数
θ——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
σL=Cθα+D3
式中C、D3——系数
α——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
σRT=AF+Bθ+Cθα+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应力的系数
3 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
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=-6×10-4 D=-1.47
由此可得到拟合结果如下
σRT=45.77F+1.98θ—6×10-4θα—1.47
表1 回归计算表
2) 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σ*i为计算值、σi为测量值、?i=|σ*i-σi|。最大的拟合误差5.5%。
表2 误差分析表
4 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)
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：σRT——磨削表面残余应力 σF——磨削力的影响 σR——磨削温度的影响 σL——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——两个弹簧被放入刚性板后弹簧的内力 l1、l2——两个弹簧在自由状态下的长度 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，内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σ与应变ε关系的简化模型。从图中可知 εB=(σB-σS)/E1+εSε＇A=εB/E
残余应力的产生
残余应力的产生、影响及防控措施 崔曙东 摘要：对钢结构而言，残余应力的存在，是影响结构脆断、疲劳破损和结构稳定性降低的重要因素。本文试图对残余应力的产生、对结构的影响和如何有效降低残余应力及影响作简单分析。 关键词：残余应力脆断疲劳破损刚度稳定性 1引言 钢结构自问世以来，由于其具备的强度高、自重轻、抗震性能好、、施工速度快、地基基础费用省、结构占用面积少、工业化程度高等一系列优点，钢结构在建筑领域被广泛应用。但是，也不能否认，钢结构还存在着许多缺陷和隐患，例如稳定性从一开始就一直是钢结构中无法回避的问题，还有随着钢结构建筑的深入发展，脆断和疲劳破损等问题也越来越突出。而上述的诸多问题，无一不与构件内部的残余应力存在密切联系，本文试图从实际出发，探讨残余应力的产生过程、对结构或构件的影响以及如何有效降低残余应力及影响。 2残余应力的成因 残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，产生的原因很多，其中，焊接残余应力是很重要的一种，另外在钢材的加工过程中也会产生参与应力。 2.1焊接残余应力 焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，不均匀的温度场将使焊件各部分产生不均匀的变形，从而产生各种焊接残余应力。焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。焊接残余应力大大降低了焊接部位材料的有效比例极限，是结构发生脆断的重要原因之一。焊接结构中残余拉应力还会降低结构抗疲劳和耐腐蚀的能力;残余压应力会降低受压构件的刚度，从而使稳定承载力。焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的重要原因，由于其影响因素众多，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了许多困难，对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。[1] 2.1.1沿焊缝轴线方向的纵向焊接残余应力 施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律（变形前的平截面，变形后仍保持平面）而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。由于钢材在高温时呈塑性状态（称为热塑状态），因而高温区这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，这种塑性变形当温度下降、压应力消失时是不能恢复的。在焊后的冷却过程中，如假设焊缝区金属能自由变形，冷却后钢材因已有塑性变形而不能恢复其原来长度。事实上由于焊缝区与其邻近钢材是连续的，焊缝区因冷却产生的收缩变形又因平截面变形的平截面规律受到邻近低温区的钢材的约束，使焊缝区产生拉应力。这个拉应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区的钢材内，故名焊接残余应力，对于低合金钢材焊接后的残余应力常可达到其屈服点。又因截面上残余应力必须自相平衡，焊缝区以外的钢材截面内必然有残余压应力。
残余应力产生及消除方法.
残余应力产生及消除方法 船舶零件加工后,其表面层都存在残余应力。残余压应力可提高零件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度,残余拉应力的作用正好相反。若拉应力值超过零件材料的疲劳强度极限时,则使零件表面产生裂纹,加速零件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面: ( 一冷塑性变形引起的残余应力 在切削力作用下,已加工表面受到强烈的冷塑性变形,其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出,此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后,基体金属趋向恢复,但受到已产生塑性变形的表面层的限制,恢复不到原状,因而在表面层产生残余压应力。 ( 二热塑性变形引起的残余应力 零件加工表面在切削热作用下产生热膨胀,此时基体金属温度较低,因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时,表面温度下降较快,故收缩变形大于里层,由于表层变形受到基体金属的限制,故而产生残余拉应力。切削温度越高,热塑性变形越大,残余拉应力也越大,有时甚至产生裂纹。磨削时产生的热塑性变形比较明显。 ( 三金相组织变化引起的残余应力 切削时产生的高温会引表面层的金相组织变化。不同的金相组织有不同的密度,表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时,因为受到基体的限制,产生了压应力;反之,则产生拉应力。 总之,残余应力即消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力。如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等,不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。残余应力一般是有害的,如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后,残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形,甚至开裂,经淬火或磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷。当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加,而使总应力超过强度极限时,便出现裂纹和断裂。零件的残余应力大
单粒磨削过程仿真与工件表面残余应力的离散度分析
第43卷第5期 2009年5月 上海交通大学学报 J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT Y Vol.43No.5 May 2009 收稿日期:2008205227 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50705061) 作者简介:张雪萍(19722),女,河南平顶山人,副教授,主要从事精密制造工艺研究. 电话(Tel.):021*********;E 2mail :zhangxp @https://www.360docs.net/doc/556196394.html, .cn. 文章编号:100622467(2009)0520717205 单粒磨削过程仿真与工件表面 残余应力的离散度分析 张雪萍, 王和平, 高二威 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240) 摘 要:基于有限元软件Deform 22D ,建立了具有负前角特征的单颗磨粒磨削热力耦合有限元模 型.仿真模拟了磨粒磨削工件时的温度场和应力场分布,分析了工件某点应力在磨削过程中的变化情况及该点最终形成的残余应力.结果表明:随着磨粒负前角的绝对值增加,工件表面残余应力值增大,当磨粒负前角由-15°到-35°时,工件表面残余应力差值达到284M Pa ;当磨粒采用负前角为-15°、-25°和-35°时,工件表面产生的残余应力标准差达到145.76M Pa.该研究证明了磨粒几何角度的随机性或离散性是影响磨削工件表面残余应力离散度的重要原因.关键词:单颗粒磨削;负前角;残余应力;离散度中图分类号:T G 580 文献标识码:A Simulation of Single Abrasive Particle G rinding Proce ss and Analysis on the Residual Stre sses Scatter Z H A N G X ue 2pi n g , W A N G He 2pi n g , GA O Er 2w ei (School of Mechanical Engineering ,Shanghai Jiaotong U niversity ,Shanghai 200240,China ) Abstract :A coupled t hermal 2mechanical model was established for t he grinding p rocess of a single abrasive characteristic wit h negative rake angle based on t he Deform 22D FEM software.The temperat ure and st ress dist ributio n were demonst rated ,t he st ress history of one point in t he machined workpiece was simulated ,and t he residual stress generation was analyzed by t he single 2abrasive grinding process simulation.The re 2sult s indicate t hat t he workpiece ’s residual stress increases wit h t he negative rake angle absolute value.The workpiece ’s residual st ress variation arrives at 284M Pa when t he negative rake angle value of an abra 2sive particle varies from -15°to -35°.The standard deviation is 145.76M Pa when t he negative rake an 2gle adopt s -15°,-25°and -35°respectively.It validates t hat t he abrasive geomet ry randomness is an important factor to determine t he workpiece residual stress scatter during t he grinding process.Key words :single 2abrasive grinding ;negative rake angle ;residual st ress ;scatter 精密磨削是工件加工的最后工序,工件表面残 余应力对其诸如耐疲劳、抗腐蚀、耐磨等性能具有很大影响[1,2].因此,磨削表面残余应力及其离散度日 渐成为零件表面完整性研究的重要内容.磨削加工同一批或同一零件时,机床特性、磨削工艺参数、磨削液及其注入方式等均能够影响残余应力的分布特
残余应力的产生与消除
残余应力的产生、释放与测量 一、残余应力的产生 产生残余应力的原因归结为三类：一是不均匀的塑性变形;二是不均匀的温度变化；三是不均匀的相变。 根据产生残余应力机理的不同，可将其分为热应力和组织应力，车轴热处理后的残余应力是热应力与组织应力的综合作用结果。由于构件内、外部温度不均，引起材料的收缩与膨胀而产生的应力称为“热应力”。热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的，淬火冷却速度与工件截面尺寸共同决定了热应力的大小。在相同冷却介质的情况下，淬火加热温度越高、截面尺寸越大、钢材热导率和线膨胀系数越大，均能导致淬火件内外温差增大，热应力越大。而加工过程中，由工件内外组织转变的时刻不同多引起的内应力成为“组织应力”。淬火时，表层材料先于内部开始马氏体的相变，并引起体积膨胀，由于表层的体积膨胀受到未转变的心部的牵制，于是在试样表层产生压应力，心部产生拉应力。随着冷却的进行，心部体积膨胀有收到表层的阻碍。随着心部马氏体相变的体积效应逐渐增大，在某个瞬间组织应力状态暂时为零后，式样的组织应力发生反向，最终形成表层为拉应力而心部为压应力的应力状态。组织应力大小与钢的含碳量、淬火件尺寸、在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢的导热性及淬透性、加热温度、保温时间等因素有关。 二、残余应力的释放 针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对
其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。 通常调整残余应力的方法有： ①自然时效 把工件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。 ③振动时效 振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后
磨削温度对磨削效果的影响
磨削温度对磨削效果的影响 磨削温度对磨削效果的影响 大量的磨削热将会软化工件表面，使其塑性增加，有利于磨屑的形成。但对被磨工件表面质量、磨和机床等也有不利的影响。对工件的影响主要表现在工件表面质量和加工精度两 方面。 磨削的高温会使工件表面层金相组织发生变化。当磨削温度未超过工件的相变温度时，工件表面层的变化主要决定于金属塑性变形所产生的强化和因磨削热作用所产生的恢复这两个过程的综合作用，磨削温度可以促使工件表面层冷作硬化的恢复；如果磨削温度超过了工件金属的相变临界温度，则在金属塑性变形的同时，还可能产生金属组织的相变。磨削的瞬间温度过高而且集中在工件表面层的局部部位，将造成工件表面层金相组织的局部变化，这种变化叫磨削烧伤。烧伤现象将引起工件表面层机械性能下降，主要是降低工件硬度和耐磨性。磨削烧伤可分为两类：第一类是指工件磨削温度尚未达到工件材料的临界温度，仅仅使工件表面层产生回火现象，这时表面层金相组织出现回火层。第二类是指工件磨削温度超过工件材料的临界温度，在通过磨削区时由于急速冷却而产生二次淬火现象，此时表面层的金组织由回火层和二次淬火形成的索氏状、托氏体组成。更高的瞬时磨削温度在磨削过程和冷却过程中造成工件表面层与母体金属很大的温度差，形成很大的热应力。如果热应力超过材料的强度，就会使工件产生磨削裂纹，特别是在工件冷却过程中，如果表面层与母体金属有较大的温度差，那么表面层就会形成很大的拉应力，并保持位伸残余应力，甚至产生表面裂纹。裂纹的存在，哪怕是十分细小的微裂纹，也会极大地降低工件的疲劳强度，大大缩短工件的使用寿命。由以上所述可以看到，影响磨削烧伤的主要因素是磨削瞬间时的高低，而磨削裂纹和残余应力的起因则为被磨工件表面层的温度梯度，这一点在磨削那些导热系数的抗拉强度低的材料时更应特别注意。有时在磨削导热性差的材料时，为了减少温度梯度，可以用加热被磨工件的方法来降低磨削温度的梯度，防止产生磨削裂纹。磨削温度使砂轮中的磨粒在加工时反复承受磨削热所形成的温度应力，对磨粒的强度和耐磨性都有不利的影响。对树脂结合剂和橡胶结合剂来讲，过高的磨削温度会导致树脂和橡胶碳化，加速磨具的磨损。磨削温度还会引起磨削区内强烈的化学反应，致使磨粒很快磨损而失去切削的能力。高的磨削温度会使所用机床产生热变形，从而影响机床 精度。
磨削加工原理
7.3.2珩磨 珩磨是磨削加工的 1 种特殊形式，属于光整加工。需要在磨削或精镗的基础上进行。珩磨加工范围比较广，特别是大批大量生产中采用专用珩磨机珩磨更为经济合理，对于某些零件，珩磨已成为典型的光整加工方法，如发动机的气缸套，连杆孔和液压缸筒等。 （1）珩磨原理 在一定压力下，珩磨头上的砂条（油石）与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动，珩磨头上的磨粒起切削、刮擦和挤压作用，从加工表面上切下极薄的金属层。 （2）珩磨方法 珩磨所用的工具是由若干砂条 ( 油石 ) 组成的珩磨头，四周砂条能作径向张缩，并以一定的压力与孔表面接触，珩磨头上的砂条有 3 种运动 ( 如图 7.3 a ) ；即旋转运动、往复运动和加压力的径向运动。珩磨头与工件之间的旋转和往复运动，使砂条的磨粒在孔表面上的切削轨迹形成交叉而又不相重复的网纹。珩磨时磨条便从工件上切去极薄的一层材料，并在孔表面形成交叉而不重复的网纹切痕 ( 如图 7.3 b ), 这种交叉而不重复的网纹切痕有利于贮存润滑油，使零件表面之间易形成—层油膜，从而减少零件间的表面磨损。 （3）珩磨的特点 1）珩磨时砂条与工件孔壁的接触面积很大，磨粒的垂直负荷仅为磨削的 1/50~1/100 。此外，珩磨的切削速度较低，一般在 100m/min 以下，仅为普通磨削的 1/30~1/100 。在珩磨时，注入的大量切削液，可使脱落的磨粒及时冲走，还可使加工表面得到充分冷却，所以工件发热少，不易烧伤，而且变形层很薄，从而可获得较高的表面质量。 2）珩磨可达较高的尺寸精度、形状精度和较低的粗糙度，珩磨能获得的孔的精度为 IT6~IT7 级，表面粗糙度 Ra 为 0.2~0.025 。由于在珩模时，表面的突出部分总是先与沙条接触而先被磨去，直至砂条与工件表面完全接触，因而珩磨能对前道工序遗留的几何形状误差进行一定程度的修正，孔的形状误差一般小于 0.005mm 。 3）珩磨头与机床主轴采用浮动联接，珩磨头工作时，由工件孔壁作导向，沿预加工孔的中心线作往复运动，故珩磨加工不能修正孔的相对位置误差，因此，珩磨前在孔精加工工序中必须安排预加工以保证其位置精度。一般镗孔后的珩磨余量为 0.05~0.08mm ，铰孔后的珩磨余量为 0.02~0.04mm ，磨孔后珩磨余量为0.01~0.02mm 。余量较大时可分粗、精两次珩磨。 4）珩磨孔的生产率高，机动时间短，珩磨 1 个孔仅需要 2~3min ，加工质量高，加工范围大，可加工铸铁件、淬火和不淬火的钢件以及青铜件等，但不宜
【毕业设计】钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真 开题报告
【毕业设计】钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真开题报告
天津职业技术师范大学毕业设计开题报告 钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真 系别：机械工程学院 班级：机自0901 学生姓名：韩捷 指导教师：霍文国 2013 年 1 月 7 日
毕业设计开题报告
综合考虑工件与刀具的材料、加工方法、加工条件等多种因素 ,定量和定性分析残余应力，广泛吸收现代数学、力学理论，并借助计算机找到工程需要的数值解。因此仿真的应用不论是在技术还是经济层面都具有重要的意义。 综上，对于钛合金磨削加工后残余应力数值模拟的仿真，是进一步提高钛合金产品性能和寿命的有力研究途径。 二、研究内容 （一）钛合金材料 1、钛合金的性能 图1 钛合金图2 钛合金钛的一个显著特点是耐腐蚀性强，这是钛对氧的亲合力特别大，能在其表面生成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中，都能在表面生成钝化氧化膜。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性。钛合金以此特性在化学工业、化肥工业、电力工业、造纸和纺织工业中都有着广泛的应用。钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料；是化肥工业中取代不锈钢材料盛放尿素、胺、胺基胛酸胺等高温高压混合液的新材料；是电力工业中用作为热交换器的冷却管的材料；是海水淡化装置和造船工业的理想材料；是纺织印染工业中漂白设备的重要材料；还是医疗和制药部门用作人造肢体和器官的材料。 钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450-500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃-500℃范围内仍有很高的比强
表面残余应力分析
表面残余应力 胡宏宇 （浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310032） 摘要：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，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]。 关键词：残余应力；切削变形；磁测法；喷丸强化； Surface residual stress （S chool of mechanical engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China） Abstract：Residual stress is mainly caused by the uneven plastic deformation of component. All kinds of engineering materials in the preparation of blank, parts and components processing, heat treatment and assembly process will produce different degree of residual stress. Residual stress because of its intuitive factors such as poor and difficult to detect is often neglected. Seriously affect the residual stress of component machining precision and dimension stability, static strength, fatigue strength and corrosion cracking. Especially on the bearing and rotating parts, the existence of the residual stress can lead to sudden destruction and the consequences are often very serious. Therefore, to study the mechanism of residual stress, detection means, elimination method and the influence of residual stress of components。 Key words：Residual stress；machining deflection；magnetic method；Shot peening strengthening； 前言 随着现代制造技术的发展，大飞机、高铁、核设施等大型设备相继出现；这些设备具有高速、重载和长时间运行的特点，其零部件工作环境恶劣、复杂，且往往对安全性有着极其苛刻的要求，因而对这些设备的关键部件，如轴承、曲轴、传动轴的疲劳寿命和可靠性也有很高的要求，对它们的疲劳寿命预测 和分析成为研究的重点． 金属切削加工是一个伴随着高温、高压、高应率的塑性大变形过程, 在已加工表面上存在着相当大 的残余应力; 同时又由于切削过程切削力和切削热作用及刀具与工件的摩擦等综合因素的影响, 使得零件内部初始的残余应力重新分布并与表面层残余应力耦合作用形成新的残余应力分布规律。残余应力以平衡状态存在于物体内部, 是固有应力域中局部内应力的一种。残余应力是一种不稳定的应力状态, 当物体受到外力作用时, 作用应力与残余应力相互作用, 使其某些局部呈现塑性变形, 截面内应力重新分配; 当外力作用去除后, 整个物体由于内部残余应力的作用将发生形变。 根据理论分析和实验研究的结果，工件的疲劳寿命和加工表面的残余应力状态有重要的关系：残余压应力能抑制工件的疲劳破坏，延长疲劳寿命；残余拉应力则相反，会加速疲劳破坏的出现[2]．因此，了解
表面残余应力测试方法
表面残余应力测试方法 由于X射线的穿透深度极浅，对于钛合金仅为5μm，所以X射线法是一种二维平面残余应力测试方法。现在暂定选择钛靶，它与钛合金的晶面匹配较好。（110）晶面 一、试样的表面处理 X射线法测定的是试件的表面应力，所以试件的表面状况对测量结果也有很大的影响。试件表面不应有油污、氧化皮或锈蚀等；测试点附近不应被碰、擦、刮伤等。 （1）一般可以使用有机溶剂（汽油）洗去表面的油泥和脏污。 （2）去除氧化皮可以使用稀盐酸等化学试剂（根据试样选择合适浓度，如Q235钢用10％的硝酸酒精溶液浸蚀5min）。 （3）然后依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行下一步的表面处理。如果测量的是切削、磨削、喷丸、光整、化铣、激光冲击等工艺之后的表面应力，以及其它表面处理后引起的表面残余应力，则绝不应破坏原有表面不能进行任何处理，因上述处理会引起应力分布的变化，达不到测量的目的。必须小心保护待测试样的原始表面，也不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。对于粗糙的表面层，因凸出部分释放应力，影响应力的准确测量，故对表面粗糙的试样，应用砂纸磨平，再用电解抛光去除加工层，然后才能测定。 （5）若被测件的表面过于粗糙，将使测得的应力值偏低。为了提高试件的表面光洁度，又不产生附加产力，比较好的办法是电解抛光法。该法还可用于去除表面加工层或进行试件表层剥除。 （6）若单纯为了进行表层剥除，亦可以用更为简单的化学腐蚀法，较好的腐蚀剂是浓度为40％的(90％H202+10％HF)的水溶液。但化学腐蚀后的表面光洁度不如电解抛光。为此可在每次腐蚀前用金相砂纸打磨试件表面，但必须注意打磨的影响层在以后的腐蚀过程中应全部除去。 二、确定测量材料的物相，选定衍射晶面。 被测量的衍射线的选择从所研究的材料的衍射线谱中选择哪一条(hkl)面干涉线以及相应地使用什么波长的X射线是应力测定时首先要决定的。当然事先要知道现有仪器提供的前提条件：一是仪器配置了哪几种靶材的x射线管，它决定了有哪几个波长的辐射可以选用；二是测角仪的2θ围。一般选用尽可能高的衍射角，使得⊿θ的增大可以准确测得。 在一定的应力状态下具有一定数值的晶格应变εφ,ψ对布拉格角θ0值越大的线条造成的衍射线角位移d(2θ)φ.ψ必也越大，因此测量的准确度越高。同时，在调整衍射仪时不可避免的机械调节误差对高角线条的角位置2θ的影响相对地也比较小。正因为如此X射线应力测定通常在2θ>90°的背反射区进行，并尽量选择多重性因子较高的衔射线。举例来说，对铁基材料常选用Cr靶的Ka线，α—Fe的(211)晶面的衍射线。 若已知X射线管阳极材料和Ka线波长，利用布拉格方程可计算出各条衍射线的2θ值，从中选择出高角线条。可以从《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》的附录中查得常用重要的金属材料和部分瓷材料在Cu，Co，Fe，Cr四种Kal线照射下的高角度衍射线。由于非立方晶系材料受波长较短的X射线照射时出现较多的衍射线，因此最好选择那些弧立的、不与其它线条有叠合的高角衍射线作为测量对象。
残余应力对变形的影响与措施
２．１切削力模型 为分析薄壁件变形问题，需建立受力模型、变形模型及数控补偿模型。而建立准确的受力模型是第一步关键的工作。 图ｌ立铣切削受力模型示意图 加工薄壁件多用立铣，所以首先建立立铣切削受力模型，如图ｌ所示。立铣刀参与切削的部分为侧刃、底刃和刀尖圆角半径。其中侧刃的受力模型经分析可采用Ｋｌｉｎｅ的平均力模型陋１。建模过程简述如下：因为切削力的大小与切削厚度有关，为方便分析，在侧刃上将总的切削面积划分为许多如图１所示’麓盒飘曩ｌ。麟寒科学蒸龛鏖赫撩≈≮蝴瓢摹２０醍）簿肭礴且．，，二∽，， ”作誊筒介ｔ芏瘩剐（ｆ鲫＇．鬻Ｄ，“舅，‘汉族。江茵省景弛镇市。５ｂＩｏ箩ｌ班娥士研究生 ３８现代企业与先进制造技术高层论坛 的负载单元，通过计算所有处在切削区域的每个单元负载，即可获得力的空间分布状态。 对于立铣刀底刃和Ｉ刀尖圆角半径部分的受力模型，可参考面铣的受力模型口３建立。建模过程简述如下：将切削力分解成垂直于刀具前刀面的法向力和刀具前刀面上的摩擦力，将某一瞬时处于切削区域所有的法向力和摩擦力分解到Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向，并与测量的切削力建立方程，通过求解可得到模型常量，进而可建立得底刃和刀尖圆角半径部分的受力模型。 ２．２切削力对侧壁变形的影响及措施 由于切削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形。针对侧壁加工的变形特征，可以从两方面考虑对其进行精度控制。其一为在常规铣削方式下，通过刀具或工件倾斜进行过切补偿：其二为利用高速加工技术进行分层对称铣削
来控制其加工精度。 Ｃ—ｃ．Ⅳ＾ 薄 图２过切补偿原理示意图 如图２所示，薄壁件上端刚性较差，在切削力作用下容易产生弹性变形，Ａ，Ｃ两点分别移到彳’，ｃ两点，刀具仅切除Ａ＇ＢＤＣ部分的材料。走刀过后薄壁弹性恢复，残留ＣＤＣ。部分材料未被切除，造成了壁厚加工误差，因此薄壁件加工壁厚超差主要是由于让刀而少切了一块材料。若刀具能倾斜一个角度，即刀具由ＤＣ位置向ＤＣ位置偏摆，则在工件最下端径向切深不变，而在工件最上端径向切深增量为万。径向切深增大导致切削力的增大，进而变形增大，设刀具偏摆后加工中工件变形为万，。工件回弹后的实际变形将取决于过切的程度与加工中工件变形的程度，若偏摆角度合适，过切与变形部分正好抵消。，分层对称加工不仅切削力小，能减小加工变形，而且能使应力分布均匀化，同时可以采用大径向切深、小轴向切深加工并充分利用零件整体刚性，是一种有效而实用的侧壁加工工艺方法。 ２．３切削力对腹板变形的影响及措施 图３为腹板变形示意图，在切削力的作用下，刀具和薄壁件的切削平面都不在正确的位置上。 实切削平面 计划的切削平面 工件的切削平面 图３腹板变形示意图 ＨａｒｕｋｉＯＢＡＲＡｔ４１等人提出的低熔点合金（ＬｏｗＭｅｌｔｉｎｇＡｌｌｏｙ）辅助切削方案有效地解决了薄板的加工变形问题。该方案指出，利用熔点低于１００℃的ＬＭＡ“Ｕ－ＡＬＬＯＹ７０”作为待加工薄
残余应力对磨削的影响
残余应力对轴承套圈磨削变形的影响 顾立(铁姆肯(无锡)轴承有限公司江苏无锡214028) 摘要：针对薄壁类轴承套圈的磨削变形问题,从内应力的角度加以分析和讨论,提出以调整热处理工艺为主,调整磨削工艺为辅的方法,解决薄壁类轴承套圈的磨削变形问题。 关键词：轴承套圈、磨削变形、残余应力、淬回火工艺 Residual Stress’s Impact on Grinding Distortion of the Bearing Ring Abstrac t：With regard to the issue of distortion from grinding of the thin wall-thickness bearing rings, it is mentioned to go through analysis or discussion from the riew-point of internal stress. Conclusion is to take adjusting the heat-treat process as the main while taking adjusting the grinding process as the subsidiary. By this method we seek a final solution of the issue of distortion from grinding of the thin wall-thickness bearing rings. Key words：bearing rings, distortion of grinding,residual stress, process of quenching and tempering. 1 引言 本公司是一家专门生产轴承的外资企业，生产国际品牌的调心滚子轴承。在生产过程中，经常出现套圈粗磨后直径变动量（V DP）超差，后道工序无法消除而报废的问题。检查结果为：①原材料质量符合美国ASTM A29 标准；②马氏体和残留奥氏体组织级别分别为1-2级，屈氏体级别＜1级，回火硬度HRC60-62，热处理变形满足JB/T 1255标准；③经过反复试验，排除磨削工艺参数不合理及设备问题的可能性；④套圈的磨削变形统计见表1 2.分析 从以上观察到的现象表明，产生磨削变形即不是材料和热处理质量指标不合格，也不是磨削设备及工艺方面造成的，经过仔细分析我们认为，内应力是造成套圈磨削变形的根本原因。 众所周知，具有内应力的零件，其内部组织处于一种不稳定的状态，它有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有应力的状态，即使在常温下零件也会缓慢、不断地进行这种变化，直到内应力消失为止。在这一转化过程中，零件的形状和原有的精度将受到影响。 本次磨削变形的应力源来自两个方面： ①热处理残余应力 套圈在淬火等热加工过程中，由于各部分厚度不均匀而造成冷却速度和收缩程度的不一致，以及金相组织转变的体积变化，都使套圈内部产生相当大的内应力。具有内应力的套圈在短期内看不出有什么变形，因为此时内应力尚处于相对平衡的状态。但在磨去某些表面层以后，平衡就被破坏，内应力重新分布，套圈明显地出现变形，甚至造成裂纹。
磨削用量对平面磨削残余应力的影响及应力预报
磨削用量对平面磨削残余 应力的影响及应力预报 华北航天工业学院 黄卫 郭晓军 哈尔滨工业大学 姚智慧 文摘 在建立了磨削表面残余应力及表面层残余拉应力峰值计算公式的基础上,进行进一步的分析,揭示了磨削用量对残余应力的影响程度及规律,并对残余应力分布的预报和控制进行了探讨。 主题词 平面磨削 残余应力 磨削用量预报 1 磨削表面残余应力及表面层残余拉应力峰值计算公式 在《平面磨削残余应力的试验研究》(发表在《航天工艺》1997年第6期上)一文中,通过试验手段已建立了磨削表面残余应力(Ρs)及表面层残余拉应力峰值(Ρm ax)的计算公式:Ρs=-148.8+17.8X1+70.0X2+7.2X3 +26.7X1X2+23.1X1X3-28.9X2X3+58.6X21 -44.3X22+1.6X32(1)Ρm ax=277.8-104.6X1+280.1X2-21.7X3 -90.8X1X2+36.2X1X3-14.5X2X3+39.3X21 +60.5X22-19.7X32(2) 4.2 功能梯度材料研究进展与前景 FG M的研究受到了日本政府的高度重视,列人了日本科学厅资助的重点研究开发项目,投入了大量的物力、财力和人力,专门成立了日本FG M研究会。已完成了其第一期(1987-1989年)研究计划,在材料设计、合成和评价方面进行了许多开创性工作,制备了多种不同体系的厚度为1-10mm、直径30mm的FG M。从1990年起进入第二阶段的研究,制得厚1-10mm,30c m见方的制品,到91年已完成。目前研究重点开始从材料制备向材料优化设计和特性评价方面扩展。逐步建立了标准性能试验方法,如小穿孔性能试验〔SP M SP)、激光热冲击试验、单面加热循环的热疲劳、隔热试验等。 与此同时,FG M的开发研究引起了世界各国的广泛兴趣和关注,美、法、德、俄等国的研究机构纷纷开展此项工作,尤以美国的NA SA和德国的D FVL R(航空研究所)表现最为积极。我国武汉工业大学、中国建材研究所、中南工业大学和北京科技大学、哈尔滨工业大学等单位相继开展了这方面的工作。从发展趋势看.今后FG M的研究仍以材料设计、合成和评价为中心,不断完善设计、评价系统,针对具体目标合成大规摸的实用材料。可以预期,随着研究的不断深入,FG M将会在各个工业领域发挥重大作用。 参考文献(略)
一篇关于切削加工表面残余应力研究的好文章
一篇关于切削加工表面残余应力研究的好文章 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。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；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；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；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；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；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。在机械加工过程中残余应力的存在不仅影响零件的加工精度而且影响零件的使用性能 和寿命。因此，充分了解残余应力产生的机理并掌握残余应力测量和消除方法对于充分利用残余应力的有益的一面，避免残余应力带来的危害以及改进加工工艺，延长工件的使用寿命和确保安全生产是十分有意义的。本文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。 残余应力的定义和分类1 残余应力的定义残余应力是指在 没有外力作用于物体时，物体内部保持平衡的应力。在没有外力的作用下，物体内部保持平衡的应力称为固有应力，残余应力是固有应力的一种。现在用一个简单的例子说明残余应力的产生。假设图1中3根弹簧在自由状态下的长度分别为L1、L2、L3，弹性常数为c。用两块刚性板将3 根弹簧连接后的长度为L，并且连接之后整个系统不受外力的影响。设连接后3根弹簧上产生的力分别为F1、F2、F3，这时的 F1、F2、F3 就相当于这个系统的残余应力且F1+F2+F3=0。 2 残余应力的分类（1）根据残余应力影响的程度把残余应力分为宏观应力和微观应力。197 3 年德国学者E.
(完整版)残余应力分类与评估
目录 1 残余应力 (1) 1.1 残余应力的定义及分类 (1) 1.2 残余应力的本质 (1) 1.3 残余应力的影响 (1) 2 残余应力的消除方法 (3) 3 残余应力的测定与评估 (4) 3.1无损检测法 (5) 3.1.1 钻孔法 (5) 3.1.2 环芯法 (6) 3.1.3 剥层法 (6) 3.2无损检测法 (6) 3.2.1 X射线衍射法 (7) 3.2.2 中子衍射法 (7) 3.2.3 超声波法 (8) 3.2.4 磁测法 (9)
1 残余应力 1.1 残余应力的定义及分类 构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。可以说残余应力就是是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：①宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。 1.2 残余应力的本质 一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。如金属合金在淬火过程中,内部形成很大的残余应力, 机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态, 所以零件产生变形。当零件刚性较大, 形状对称时, 变形较小。反之, 则变形十分明显。在工件内部实际应力的情况是复杂的，有众多位错的相互作用，还有空位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响，所以，实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果。 1.3 残余应力的影响 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重大的影响。低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”，奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的“氯脆”，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆”，黄铜在带