硬質(zhì)材料像高合金化高速鋼在磨削加工過程中出現(xiàn)的復雜熱機械載荷，會影響表面完整性進而影響工程零件的性能。殘留應力則是評估磨削零件性能的一個顯著參數(shù)。早期研究指出磨削工藝通常就是工件的拉伸表面殘余應力的來源。

本研究中，通過x射線衍射對磨削工件的測量發(fā)現(xiàn)表面產(chǎn)生較大的壓縮殘余應力。為理解該殘余應力的來源，實驗建立了外圓精磨有限元素模擬模型，且溫度取決于材料屬性；并采用SYSWELD 2010軟件根據(jù)二維數(shù)值模擬建立了熱機械模擬。利用工件表面移動的等量熱通量來模擬CBN砂輪對工件的加工作用。根據(jù)實驗測量和分析計算求得熱源輪廓。將砂輪的機械作用模擬為分布在接觸區(qū)磨粒上的正常壓力。求得溫度分布和殘余應力。模擬結(jié)果和測量結(jié)果之間的差別是比較明顯的。進一步對磨削表面層進行表征，發(fā)現(xiàn)在給定的工藝參數(shù)、砂輪和材料屬性條件下，等量載荷的熱機械模型不足以在塑性變形和結(jié)構(gòu)變化中再生誘導殘余應力。

1、實驗

1.1 實驗磨削裝置

本研究采用HERMLE CNC 5軸加工中心進行外圓外圍縱向精磨加工；所用CBN砂輪直徑Ds=150mm，寬度b=12mm；工件為硬鋼柱，直徑Dw=116mm、200mm，硬度為63HRC；設計定制特殊的噴嘴用于磨削區(qū)的油潤滑。整個實驗裝置如圖1所示。

圖一：實驗裝置

根據(jù)包含5個工藝參數(shù)和混合水準（兩到三個[32 23]）的部分析因試驗設計進行實驗，共計36組實驗；加工方向為順磨、逆磨兩個方向；不同砂輪速度、工件速度、切割深度、進給速率和磨削防線。如表一所示。

表一：因子水準分配

1.2 殘余應力測量

每組實驗做完后，利用帶有鉻放射線 Cr Kα（λ=0.229mm）和一個3.14mm直徑的入射光束準直器的MGR40頭的PROTO X射線衍射進行殘余應力測量，如圖2所示。對鐵板（211）的測量也用該裝置，Bragg’s角2θ=156.1°。以ψ正負值進行sin2ψ方法的測量：

6-ψ角度（-30°~+30°）

Ψ振蕩：±3°

對表面層進行持續(xù)的電溶解直至達到要求的深度后就可以實現(xiàn)徹底的殘余應力分布。以兩個正交方向進行殘余應力的測量：進給方向（σzz）和砂輪切削方向（σxx）。

圖二：X射線機進行殘余應力測量

2、實驗結(jié)果

圖三為磨削加工前后工件的殘余應力深度輪廓數(shù)據(jù)。由圖觀察可知，前期加工工藝所產(chǎn)生的拉伸表面殘余應力在經(jīng)過磨削加工后，被轉(zhuǎn)化為最大表面壓縮應力。

圖三：HSS外圓磨削前后的殘余應力

根據(jù)參考文獻[20]對殘余應力反映圖中實驗設計的分析可知，工件速度對磨削試樣上產(chǎn)生的殘余應力的影響最大，其次是砂輪進給速度。圖4為順磨方向上不同工件速度（7、14、22m.min-1）和經(jīng)過修整的其他工藝參數(shù)條件（Vs＝17m.s-1，fz＝3mm.tr-1，ap＝8μm）下求得的殘余應力輪廓。在兩個方向上，殘余應力是完全壓縮的。值得注意的是，位于外層的壓縮峰值在Vw=7m.m-1處最高且主要在切削方向上（4a）。進一步分析則會發(fā)現(xiàn)，峰值之間的差異更顯著，工件速度對殘余應力的影響表現(xiàn)在了磨削表面下方的受影響層上。工件速度越低，受影響深度就越大，從Vw=22m.min-1的10μm到Vw=7m.min-1的80μm。

圖四：不同工件速度條件下的殘余應力輪廓