工艺与检测 Technology and Test
磨削硬化残余应力分析与预测
吕长飞?吴小玉?郑继明?②
2017年第6期
（①责州师范大学机械与电气工程学院，贵州贵阳550025；②贵州师范大学机械与控制仿真重点实验室，
贵州贵阳550025）
摘要：对残余应力产生原因进行分析，并基于建立的磨削温度三维分析模型和有限元分析，实现残余应力
分布的建模和预测。通过干磨和湿磨实验进行了验证。
关键调：磨削硬化；残余应力；磨削温度；有限元分析
中图分类号：TG581+.1
文献标识码：A
DOI:10.19287/j.cnki.10052402.2017.06.022
The analysis and prediction of grind-hardening induced residual stresses
LVChangfei,WUXiaoyu,ZHENG Jiming
(@School of Mechanical & Electrical Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550025,CHN; ②The Key Lab of Mechanical and Control Simulation, Guizhou Normal University, Guiyang 550025,CHN)
Abstract : In the present paper, modeling and prediction of the residual stresses profile as a function of the process
parameters is presented. The model s results are validated for two cases: a dry grind hardening and a coolant - assisted grind hardening of AISI 1045 steel.
Keywords:grind hardening; residual stresses; grinding temperature; FEA
磨削硬化是利用磨削过程中产生的磨削热对可淬硬工件进行表面火的工艺。它可替代感应淬火、火焰淬火和激光淬火等常用表面热处理工艺，实现了磨削加工与表面淬火的集成制造（1-2]。磨削硬化过程由Brinksmeier和Brockhoff提出[3]，开始为此方法可行性实验调查!")，随后Salonitis等提出对其进行理论研究，包括几个不同方面，如硬化过程的热分析4)，冷却液的作用3"}，磨削砂轮参数的影响")及相关的磨削力[7]，研究表明，影响磨削硬化最关键的加工参数已被确定为切深、工件进给速度和砂轮转速，这些均是对磨削硬化过程进行的理论研究，至今只有少量对磨削硬化导致残余应力的研究")，且其中大都为实验分析。Brinksmeier和Brockhoff[3]首先给出采用乳化液做为冷却液，对材料为42CrMo4的工件进行磨削硬化加工时其表面会产生残余压应力，Brockhoff「]也通过实验证实对材料SAE4140的工件进行磨削硬化干磨时残余压应力的存在，刘菊东等对非率硬钢在不同的磨削方式和冷却条件下磨削硬化层特征进行了对比实验，基于实验对磨削硬化层特征和残余应力进行了分析[9],B.Kolkwitza等基于磨削硬化过程实验和硬化深度实验，对加工件表层进行马氏体相位转变、压应力和金相学分析[10],Nguyen等[11]通过实验得到了在干
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磨时磨削硬化产生残余拉应力，采用冷却液时产生残余压应力，这些均是进行的实验研究。也有极少数对磨削硬化产生残余应力进行了有限元仿真，Shah 等(12)首先对磨削硬化产生残余应力建立有限元模型进行了研究，K.Salonitis和A.Kolios建立了一个45号钢磨削硬化过程热－力学响应有限元预测模型，可实现磨削硬化温度、导致的工件材料晶体结构和残余应力分布的预测"3)，但这些研究均未考虑砂轮和工件相互作用产生的机械负载的影响、工件温变史产生的热应力等。
总之，热硬化过程会产生残余应力，目标热源输人将使得工件表层内产生短时奥氏体[3]，接下来的自泽火效应]和冷却液的使用会导致表层马氏体硬化[2,5.14]。已有文献研究表明，几何参数、热传递系数、热物理机械特性、热转换过程及局部温度、相位组成和材料形成历史等众多因素组成影响残余应力产生的复杂过程。本文基于磨削温度三维分析模型中非线性热和有限元分析模型的非线性弹塑性结构进行耦合，对磨削硬化过程导致的残余应力特性进行分析建模。模型考虑了由于砂轮和工件相互作用产生的机械负载的影响、工件温变史产生的热应力、以及由于与相位变化相联系的材料体积变化产生的应
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