预应力磨削(pre-stressed grinding ，PSG)是在磨削加工前对试件施加预拉应力，集磨削加工与残余应力控制于一体，可以使零件在磨削加工后，表面层直接产生理想的应力状态，从而提高零件的抗疲劳强度，延长其使用寿命^[1].磨削淬硬(grinding hardening ,GH)是利用磨削加工中产生的大量磨削热，将工件表层快速加热到材料的相变温度，并以大于马氏体相变临界冷却速度的条件急速冷却，从而使工件表层发生马氏体相变，达到磨削淬硬目的^[2].GH工艺集磨削加工与表面淬火工艺于一体，直接利用磨削时产生的磨削热对工件表面进行热处理，减少零件热处理工序、专用热处理设备及人员等的投入，减少能源的消耗以及热处理工艺对环境的污染，符合绿色制造和清洁化生产模式^[3,4,5,6,7].

国内外学者分别对GH及PSG进行了研究，并取得了一定进展，但对两者相结合的情况的研究尚处于空白阶段.本文将两者结合，在对GH技术和PSG技术进行深入研究的基础上，从抗疲劳制造与绿色制造的观念出发，提出预应力淬硬磨削(pre-stressed hardening grinding，PSHG ) 复合加工方法，并进行PSHG实验.

在PSHG加工中，由于磨削热产生的高温使工件表面组织产生马氏体相变.该过程中施加的预应力对马氏体等金相组织的变化历程和结果具有重要影响，故可以通过调整预应力大小来控制金相组织特征形貌.国内外学者对正常加热淬火条件下应力应变对金相组织的影响做了一定研究，而对磨削强化条件下金相组织变化机理的研究则基本处于空白，故本文将结合实验结果及金属热相变理论对该过程进行研究分析，其机理研究对于控制加工后零部件性能具有重要意义.

选用M7120A平面磨床，选用陶瓷结合剂的白刚玉砂轮，粒度为F46，砂轮直径为250 mm，实验所用材料为45^#钢.

试件经特殊加工，长、宽、高为50，10和22 mm，磨削宽度为10 mm.

综合考虑各因素，确定本次PSHG实验条件如表 1所示.调整磨削用量，对试件进行磨削，结束后先冷却再卸载预应力.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 预应力淬硬磨削实验条件 Table 1 Experiment conditions of PSHG 编号 ap vw vs M 冷却 方式 磨削 方式 μm m·s -1 m·s -1 N·m 1 50 0.033 20 2 50 0.033 40 3 50 0.033 37 60 干磨 顺磨 4 200 0.022 20 5 200 0.022 40 6 200 0.022 60 注： ap为磨削深度， vw为工件进给速度， vs为砂轮线速度， M为预应力转矩.

表 1 预应力淬硬磨削实验条件 Table 1 Experiment conditions of PSHG

施加预应力是在试件两端预置一个拉力.本次实验采用自主设计的预应力施加夹具，通过对螺杆施加一定转矩来给工件施加预应力.

根据夹具的实际尺寸，施加到试件的拉应力为

测量切入区、中间区及切出区的硬度，每个区域测3次，求其平均值，实验后测得各试件硬度如表 2所示.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 试件硬度测量值 Table 2 Specimen hardness values measured (HV) 试件号 1 2 3 4 5 6 切入区 223.9 248.8 221.4 716.1 551.0 681.6 中间区 243.7 247.4 259.2 787.3 630.4 647.8 切出区 233.7 239.9 239.1 703.3 682.1 787.9 注：维氏硬度测量施加压力为1 kg.

表 2 试件硬度测量值 Table 2 Specimen hardness values measured

可以看出1,2,3号试件由于磨削深度较小，其硬度相对基体(210 HV)无明显变化，未产生淬硬效果，该状态下预应力对强化层硬度几乎无影响，且对相变无明显影响.而4,5,6号试件均发生明显的淬硬现象，并且其硬度随着预应力由小到大呈现出大—小—大的变化趋势.

4,5,6号试件放大50倍的金相显微图如图 1所示.可以看出，由于所施加的预应力不同，同样磨削参数条件下所形成的磨削强化层特征具有明显不同，由金相显微镜自带的厚度测量软件测得4,5,6号试件强化层厚度分别为456.66,337.98,601.14 μm，其金相组织也呈现一定的差异.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 试件的金相组织显微图 Fig. 1 Metallographical micrograph of the specimens (a)— 4号件； (b)— 5号件; (c)— 6号件.

由此可以看出，PSHG充分淬硬条件下，试件表面硬度和强化层厚度随预应力增大呈现大—小—大的变化趋势.

采用X射线衍射法测量试件表面残余应力，结果如表 3所示.

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 残余应力测量值 Table 3 Residual stress measurements MPa 位置 试件号 1 2 3 4 5 6 位置1 589.3 505.2 467.7 -177 -382.6 -637 位置2 563.2 579.2 508.7 -22.6 -403.4 -512.3 位置3 480 541.4 432 119.8 -104.6 -520.9 注：位置1,2,3为试件从左到右的位置.

表 3 残余应力测量值 Table 3 Residual stress measurements MPa

由以上实验结果可知，PSHG实验获得了较小残余拉应力或残余压应力的表面强化层，零件具有良好的使用性能.

由于金相组织变化及45^#钢材料属性与温度有密切关系，故对磨削深度为200 mm的实验情况(4,5,6号试件)运用ANSYS进行温度场仿真，将温度仿真结果近似为磨削温度.

由于预应力场对温度场影响较小，故可将温度场的仿真结果看作是不同预应力条件下共同的温度场结果.

仿真采用抛物线热源模型，可较好模拟热源加载.砂轮的切向磨削力F_t通过式(2)计算^[8]：

磨削过程中产生的总热源强度q^[8]_t为

传入工件的磨削热比例系数为0.82^[8]，则传入工件的热源强度q_w为

仿真选择具有8个温度自由度的三维热实体SOLID70.仿真工件尺寸为20 mm×22 mm×10 mm，以4倍接触弧长作为磨削仿真长度.共划分为40×30×15个网格单元.

主要仿真参数如表 4所示.

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 仿真参数设定 Table 4 Simulation parameters 砂轮直径 ds/mm 250 砂轮线速度 vs/(m·s -1) 37.7 工件进给速度 vw/(m·s -1) 0.022 磨削深度 ap/mm 0.200 预应力 σ/MPa 33.3，66.7，100 磨削宽度 b/mm 10 接触弧长 lg/mm 7

表 4 仿真参数设定 Table 4 Simulation parameters

仿真结果表明，表层磨削温度可接近1 100 ℃，图 2为第21载荷步温度场云图，此时温度场已较稳定，具有代表性.由图 3可知，PSHG过程中试件表面可以达到奥氏体化温度720 ℃，同时冷却过程中也可以达到马氏体转变温度320 ℃，说明达到了马氏体相变的基本条件.尽管温度场及磨削条件相同，但金相组织厚度及特征却不同，说明不同预应力对相变造成了影响.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 第21步温度场纵向截图 Fig. 2 Lengthways cloud map of thermal field of the 21st step

将淬硬效果显著的4,5,6号试件作为主要研究对象.磨削强化主要由磨粒冲击而产生的机械强化和热相变作用生成马氏体而产生的淬硬现象导致.由于本实验中冲击塑性变形引起的机械强化条件相同，故简化分析过程，仅分析不同预应力的拉伸结果对马氏体相变的影响.

45^#钢的屈服强度随着温度升高而降低^[9]，温度场仿真结果见图 3.当切深为200 mm时，磨削表面温度可达约1 000 ℃，此时材料的屈服强度降低至约40 MPa^[8].根据式(2)可得4,5,6号试件施加的预应力分别为33，66和100 MPa.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 第21步温度随表面距离变化 Fig. 3 Thermal variation along with the distance from the surface at the 21st step

4号试件预应力为33 MPa时，材料尚处于弹性变形范围内，此时磨削过程中施加的预应力会增加马氏体相变的自由能，使马氏体相变提前发生，故该状态下预应力对马氏体相变具有促进作用，该结果与较多学者的研究结果一致，为较公认的“应力促进马氏体相变”现象，符合Koistinen-Marburger马氏体相变动力学模型^[10,11,12].由于该预应力已接近屈服极限，对相变的促进作用已达到较强状态，故硬度较大；从图 1a中可见，马氏体含量较大，质地较密，总体相变厚度较大.

而5,6号试件的预应力分别为66.7和100 MPa，均已超过磨削温度下材料的屈服极限40 MPa，材料在预应力的拉伸作用下发生塑性变形，该磨削过程中，预应力除了增加马氏体相变的自由能(与弹性变形一致)外，对马氏体相变产生两种相反的作用^[11].促进作用为：塑性变形使晶粒之间的边界由原先的光滑平整的形状变成了不规则的波纹形，具有较高晶界能，该处会作为磨削强化过程中马氏体相变的优先形核地点；塑性变形使得晶粒拉长，产生的变形带也是形核的优先地带，因此塑性变形会加快磨削强化层中马氏体相变速度，即应变诱导相变.抑制作用为：马氏体相变属于切变型相变，塑性应变提高母相的屈服强度，阻碍切变过程的实现，因此强化层中相变速率降低，母相趋于稳定，即出现机械稳定化.两种作用的综合结果即是磨削过程中预应力对马氏体相变的最终影响.

5号试件硬度小于4号，由图 1b可见强化层厚度较小，产生的马氏体密度较小，说明在开始发生塑性变形过程中，预应力对马氏体相变综合影响为阻碍作用.该磨削过程中，预应力导致的机械稳态对马氏体形成的抑制作用大于晶粒拉长带来的促进作用.

与5号试件相比，6号试件的硬度又开始变大，强化层厚度大于5号，产生的马氏体数量变多，说明在塑性变形较大时，磨削过程中的预应力对马氏体相变综合影响表现为促进作用.观察图 1c可以发现，晶粒有被拉长的现象，说明PSHG过程中，该因素较显著，拉长的地带有利于马氏体形核.

从能量角度分析，奥氏体转变马氏体过程中，自由能变化为^[11]

ΔG_t是母相屈服强度的一个递增函数：

试件表层弹性变形的磨削阶段(4号试件)，由于预应力作用使ΔW_e增加，其余项不变，故该过程中，预应力促进马氏体相变.

试件表层塑性变形的磨削阶段(5,6号试件)，随着预应力增加，ΔG_t随母相屈服强度增加，而ΔW_e与ΔW_p也随应力增加而增加.根据实验结果可知，在塑性变形较小的阶段，ΔG_t是主要影响；较大阶段，ΔW_e与ΔW_p是主要影响.

1) PSHG生成了具有较小残余拉应力或残余压应力的表面强化层，从而零件具有良好的使用性能.

2) PSHG条件下，试件表面硬度和强化层厚度随预应力增大呈现大—小—大的变化趋势；未淬硬条件下，预应力对试件表面硬度无明显影响.

3) PSHG预应力产生较小塑性变形的阶段，母相强化现象占据主导作用，预应力对马氏体相变起抑制作用；塑性变形较大阶段，晶界拉伸有助于马氏体形核，该因素占据主导作用，预应力对马氏体相变产生促进作用.