| 工基專欄 | 磨削加工鑄鐵的表面殘留應力之數值分析模擬技術

前言  

以往的磨削研究以移動熱源取代磨削過程，探討磨削加工中的溫升分布、能量分率及加工後的表面殘留應力分布，並未考量砂輪磨粒對工件造成的機械變形。本研究將以有限元素模擬分析搭配實驗量測之數據，協助了解移動熱源和磨粒作用力所造成的殘留應力，探討工件速度、砂輪轉速及磨削深度對溫升分布與殘留應力的影響。

殘留應力形成原因與數值模擬理論

磨削以極高的單位體積能量輸入，以移除材料的表面層，大部分能量轉化為熱量，熱量集中在砂輪與工件相互作用的磨削區域，導致不均勻的溫升及固態相變化，這種快速加熱和冷卻的結果，包括熱影響區的形成、殘留應力的產生、材料的裂痕、材料的化學變質[1, 2]、以及因此改變的材料性質（如硬度等），這些現象可能對鑄件的表面完整性起到重大的作用。大多數鑄鐵的相變化產生體積變化、相變塑性和機械性質的變化。當施加的有效應力超過降伏強度時，會發生局部塑性流動。所有這些因素相互作用，最終導致不同的內部應力/應變場。

圖1為磨削加工過程在工件深度方向所產生之三種類型與磨削方向平行的殘留應力分布，其中曲線1為塑性變形所產生之殘留應力分布，主要是由砂輪與工件接觸之正向壓力以及剪切力使工件材料表面層產生塑性變形所致，經彈性回復而留下殘留壓縮應力。曲線2為磨削加工過程，工件材料表面的快速升溫與降溫所導致的殘留張應力，殘留張應力只有在熱應力超過材料的降伏強度時才會形成。曲線3為工件材料在磨削的過程中，產生的溫度達到工件的相變化條件時所產生之殘留應力，此乃由於鑄鐵的相變化會產生體積變化，使得工件的表面在降溫的過程中形成應力，而在工件的表面形成殘留壓縮力，而表面底下則形成殘留張應力。由於曲線3關係到相變化，必須在沃斯田鐵化溫度以上也就是727~740℃之間，以精密平面磨床進行最終精修的製程來說，就目前業界使用執行的加工參數，無法達到如此高的磨削溫度，所以暫時只討論曲線1與曲線2，也就是磨削溫度與磨粒附和的影響。