强冷磨削：一种控制表面残余应力的有效方法

　　一、强冷磨削机理

　　在常规磨削过程中，比压和摩擦较大，磨削区域温度较高，工件表面常常因热塑性变形而产生残余拉应力。对被加工材料表面实施快速强制冷却，一方面可以降低磨削表面的温度，减少由此产生的塑性变形与磨削烧伤现象；另一方面会在材料表层形成一个以冷缩为主要特征的预应力场，与磨削过程中力和热所形成的应力场实现非线性叠加，抑制残余拉应力的产生，并可导致残余压应力的产生。强制冷却磨削(简称强冷磨削)正是根据这种机理提出的。

　　强冷磨削试验采用液氮作为冷却介质。液态氮的温度为-176℃，是化工产业的副产品，无毒，无污染，容易获取，是一种很好的冷却介质。将其喷注在被加工材料表面，通过氮的挥发可以迅速吸收大量热量，使冷却场覆罩下的工件表面温度急剧下降，工件表面遇冷而收缩，工件材料脆性增加，加工中塑性变形减轻。与常规磨削的情况相比较，强冷磨削时，快速强制冷却收缩的效应集中于被加工材料最外层，最外层以下的内部材料冷缩程度相对较轻，冷却速度也较慢，导致工件表层相对里层发生了不均匀的弹塑性变形。解除强冷作用后，较大的相对温差(温升)使工件表层(相对里层)发生扩张，导致已加工表面残余压应力的产生。而在常规磨削后，工件表层温度降低并发生收缩，导致已加工表面残余拉应力的产生。

　　强冷磨削时，液氮喷注的方向和部位可以是待加工表面区和已加工表面区。向待加工区域喷注是用以冷却待加工区域材料表层，形成冷缩预应力场；向已加工区域喷注是加速工件冷却过程，使最外层急剧冷却与里层形成较大梯度温度场。两种方式都在随后恢复常温过程中，因表层扩张而产生残余压应力。

　　二、强冷磨削实验

　　1.试验条件

　　工件表面层的冷却程度和冷缩预应力状态与液氮流量q、工件与液氮喷嘴相对移动速度(试验中为工件移动速度vw)、被加工材料热特性等因素有关，通过对流量q、速度vw和磨削用量的控制，达到实现对已加工表面残余应力状态的主动控制。

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