东北大学学报:自然科学版  2020, Vol. 41 Issue (4): 546-550  
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牛艺静, 孙聪, 庞刚, 修世超. 预应力时效性对磨削强化表面应力的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(4): 546-550.
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NIU Yi-jing, SUN Cong, PANG Gang, XIU Shi-chao. Effect of Pre-stress Time-Characteristics on Grinding Strengthened Surface Stress[J]. Journal of Northeastern University Nature Science, 2020, 41(4): 546-550. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.04.016.
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基金项目

国家自然科学基金资助项目(51775101)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N180306003)

作者简介

牛艺静(1983-), 女, 辽宁鞍山人, 东北大学博士研究生;
修世超(1958-), 男, 内蒙古赤峰人, 东北大学教授, 博士生导师。

文章历史

收稿日期：2019-06-25
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预应力时效性对磨削强化表面应力的影响
牛艺静 , 孙聪 , 庞刚 , 修世超     
东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2019-06-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51775101)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N180306003)。
作者简介：牛艺静(1983-), 女, 辽宁鞍山人, 东北大学博士研究生;
修世超(1958-), 男, 内蒙古赤峰人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：为了获得不同预应力卸载时间的磨削硬化层残余应力值及马氏体含量, 进行了预应力淬硬磨削实验.对预应力磨削进行仿真, 得到了工件表层的温度变化情况及预应力卸载时间对表面机械热应力的影响.结合实验数据和仿真模拟, 讨论了预应力时效性对相变和相变应力的影响.结果表明：在7s内, 预应力具有一定的时效性；随着卸载时间的增加, 晶体内部晶界伸长, 马氏体含量有所增加, 加工表面残余压应力增加.
关键词：预应力磨削    卸载时间    相变    残余应力    有限元仿真    
Effect of Pre-stress Time-Characteristics on Grinding Strengthened Surface Stress
NIU Yi-jing , SUN Cong , PANG Gang , XIU Shi-chao     
School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: NIU Yi-jing, E-mail: 358716263@qq.com.
Abstract: In order to obtain the residual stress value and martensite content of the hardened layer with different pre-stress unloading times, a pre-stress hardening grinding experiment was carried out. The pre-stress grinding was simulated to obtain the temperature change of the surface layer of the workpiece and the influence of the pre-stress unloading time on the surface's mechanical thermal stress. Combining the experimental data and simulation, the effects of pre-stress time-characteristics on phase transformation and phase transformation stress were discussed. The results showed that the pre-stress has certain time-characteristics in 7 seconds. With the increase of unloading time, the grain boundary of the crystal is elongated, the content of martensite increases, and the residual compressive stress of the machined surface increases.
Key words: pre-stress grinding    unloading time    phase transformation    residual stress    FEM simulation    

磨削淬硬(grind-hardening, GH)是一种新型技术, 它利用工件表层在磨削加工中产生的大量热, 使表层温度超过材料的相变温度, 进而发生马氏体相变的过程[1-3].磨削淬硬提高了工件的硬度、强度和抗冲击性能, 以及工件的耐磨性、耐腐蚀性等[4-5].

预应力强化磨削(pre-stress hardening grinding, PSHG)是在磨削加工时对工件施压预应力, 其结合了磨削淬硬的优点, 又能够通过工件加工表层的弹性变形, 减少工件加工表层的残余拉应力并获得了残余压应力, 提高表面质量, 延长接触疲劳寿命[6-8].

本文通过研究预应力时效性, 试图找出使工件表层获得高抗磨损、高接触疲劳强度的最佳预应力卸载时间.为了研究预应力时效性对表面残余应力和表面完整性的影响, 选择不同预应力和卸载时间进行预应力磨削淬硬实验.同时为研究机械热应力及表面温度变化, 采用有限元法(FEM)进行磨削淬硬过程温度的收集.通过对温度曲线的研究, 选择3个时间节点来卸载预应力.最后, 结合模拟和实验结果, 对相变应力进行了研究.

1 实验研究 1.1 实验条件和参数

实验选用了德国BLOHM保宁ORBIT 36P平面成型磨床, 见图 1.实验条件和工件参数如表 1所示.实验前先对工件进行磨削, 冷却后再加载预应力进行磨削淬硬.磨削深度为0.15 mm时, 实验参数见表 2.

图 1 PSHG实验 Fig.1 Experiment process of PSHG
表 1 实验条件和工件参数 Table 1 Experimental conditions and workpiece
表 2 磨削参数 Table 2 Grinding parameters
1.2 实验结果及分析

磨削淬硬实验后通过盲孔法测得残余应力, 预应力卸载时间对残余应力的影响如图 2所示, 残余应力为压应力.随着预应力卸载时间的增加, 残余压应力逐渐增加.

图 2 预应力卸载时间对残余应力的影响 Fig.2 Effect of pre-stress unloading time on residual stress

残余压应力可以提高实际疲劳强度, 压力值越大, 实际疲劳强度越高.残余压应力在一定程度上也会减缓零件的磨损, 压应力值变化对零件磨损性能影响很小.

通过奥林巴斯金相显微镜观察试件的金相组织, 再对金相组织进行了二值化处理.图 3为二值化处理前后的金相组织, 图中的白色区域为马氏体, 黑色区域为残余奥氏体和未溶碳化物.

图 3 二值化处理前后的金相组织 Fig.3 Metallographic organization before and after binarization (a)—处理前；(b)—处理后.

马氏体面积分数随卸载时间的变化曲线如图 4所示.随着预应力卸载时间的增加, 马氏体面积分数逐渐增加.这是由于在1 s时过早卸载预应力, 此时温度很高, 奥氏体还没有发生马氏体转变, 预应力只对奥氏体有作用, 使奥氏体晶粒变细, 晶界拉长, 有利于马氏体的形成.当在3 s卸载预应力时, 施加的预应力作为一种补充机械应力, 使马氏体相变提前发生, 此时发生“应力促进马氏体相变”现象, 促进马氏体的相变, 生成的马氏体数量增多.在7 s卸载预应力, 此时在“应力促进马氏体相变”发生的基础上, 预应力使得晶体内部晶界伸长, 也有利于马氏体形核, 马氏体的面积分数会有少量增加.

图 4 马氏体面积分数随预应力卸载时间的变化曲线 Fig.4 Martensite content as a function of pre-stress unloading time
2 仿真研究 2.1 模型建立

为更好地模拟预应力磨削, 本文选用ANSYS进行温度场仿真模拟.热源的加载采用抛物线热源模型.砂轮的切向磨削力Ft可由经验公式获得[9]：

(1)

式中：参数解释见表 3.

表 3 仿真参数 Table 3 Simulation parameters

由切向磨削力计算得出磨削区域的总热流密度q为

(2)

式中：b为磨削宽度；lg为磨削弧长：

(3)

由热分配比ε可计算出流入工件的热流强度：

(4)

仿真选用SOLID70单元进行分析[10], 它既可以进行热分析也可以转为结构分析, 是三维实体单元, 具有三维热传导能力, 有8个节点, 每个节点上只有一个温度自由度, 可以用于三维瞬态的热分析.主要仿真参数如表 3所示.

预应力淬硬磨削过程的仿真是一个热力耦合的过程, 首先根据初始条件和边界条件, 对温度场进行加载.工件的边界条件如图 5所示：在工件的Γ1边界上设定初始温度为20 ℃, 在Γ2边界上设定流入工件的热流密度, 即抛物线分布热流密度, 在Γ3边界上设定空气对流换热条件.具体加载过程为对接触弧区及接触弧区内的热流密度进行离散.同时, 进行热流密度的固定加载, 在下一个时间内, 把上次的计算结果作为初始条件, 对下一个区域进行热流密度的加载, 通过循环加载得到淬硬磨削加工的瞬态温度场.在温度场有限元分析中, 将热源的移动过程进行离散化, 经过有限次的迭代循环, 得到仿真温度场.

图 5 边界条件 Fig.5 Boundary conditions
2.2 仿真结果

图 6为20载荷步的温度变化曲线.温度在3.1 s左右达到最高点, 此时温度超过1 000 ℃.当温度升至727 ℃(Ac1)时, 珠光体、铁素体开始转变为奥氏体.升至770 ℃(Ac3)时, 相变结束, 所有组织转变为奥氏体.在空冷过程中, 由于冷却速度较快, 当温度降至300 ℃左右时, 奥氏体直接转变为马氏体, 如图 7所示.根据马氏体相变点Ms选择了3个时间节点卸载预应力：卸载时间为磨削后1 s时, 马氏体相变还没有开始；卸载时间为磨削后3 s时, 相变刚刚开始；卸载时间为磨削后7 s时, 温度约200 ℃, 马氏体相变发生了一段时间.利用这些卸载预应力的时间节点, 研究了磨削过程中预应力时效性对工件的影响.

图 6 20载荷步温度随时间的变化曲线 Fig.6 Temperature versus time curve at 20 loading steps
图 7 连续冷却相变图 Fig.7 Continuous cooling phase transformation diagram

在相同的预应力作用下, 随着预应力卸载时间的增加, 表面的机械热应力逐渐减小, 如图 8所示.这是因为磨削的瞬间高温会导致表面膨胀.当预应力卸载时, 由于表面温度高, 热应力仍起作用；内层温度低, 内层由于预应力卸载首先开始收缩.表面温度高, 冷却快, 表面收缩速率大于内部收缩速率.因此, 表面残余拉应力较大, 表面机械热应力也较大.随着卸载时间的推移, 表面温度急剧下降, 表面和内部的温差也随之降低.热应力的作用减弱, 内部、表面收缩差减小.内层的弹性恢复引起表面的残余压应力抵消了热应力引起的残余拉应力.

图 8 机械-热应力随卸载时间的变化曲线 Fig.8 Mechanical-thermal stress as a function of unloading time
3 卸载时间对相变应力的影响

残余应力是加工表层热应力、机械应力和相变应力综合作用的结果.相变应力是残余应力形成过程中的一个重要环节.相变应力可以用预应力磨削的残余应力和机械热应力来计算, 得到的相变应力值为负, 即相变压应力[1].不同的金相组织密度是不同的, 当工件材料在不同组织间发生变化时产生相变应力.当低密度组织转变为高密度组织时, 会产生相变拉应力.反之, 相变则会产生压应力.在冷却过程中, 随着奥氏体转变为马氏体, 体积增大, 产生相变压应力.图 9表明, 随着卸载时间的增加, 相变压应力增加.相变压应力的变化趋势与图 7中的马氏体面积分数变化一致, 证明了相变应力的计算合理性.

图 9 相变应力随预应力卸载时间的变化曲线 Fig.9 Phase transformation stress under different pre-stress unloading time
4 结论

1) 本文通过磨削淬硬实验研究了预应力时效性对残余应力的影响.实验测得残余应力为压应力, 随着卸载时间的推移, 残余压应力增大.

2) 通过对金相组织图进行二值化处理, 可知随着预应力卸载时间的增加, 马氏体面积分数增加.

3) 采用有限元模拟方法研究了机械热应力, 机械热应力为拉应力, 其值随卸载时间的增加而减小.

4) 相变应力由机械热应力和残余应力计算得到, 为压应力.随着预应力卸载时间的延长, 相变的压应力增大.相变压应力的变化与图 7中的马氏体面积分数变化趋势一致.

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