高彈性合金鋼的微細(xì)磨削仿真

劉湘林， 李蓓智， 楊建國(guó)， 周振新， 江小輝

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

高彈性合金鋼的微細(xì)磨削仿真

劉湘林， 李蓓智， 楊建國(guó)， 周振新， 江小輝

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

撓性接頭剛性差，在微細(xì)磨削加工中易變形，其精度難以控制.為了提高撓性接頭的工作性能，重點(diǎn)研究了撓性接頭細(xì)頸的磨削工藝參數(shù)及其表面質(zhì)量.基于磨削加工、彈塑性力學(xué)和有限元法等理論，利用ABAQUS模擬單顆磨粒微細(xì)磨削高彈性合金鋼，分析磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力、熱的影響規(guī)律，并用專業(yè)金屬切削軟件Advantedge對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真，研究工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為進(jìn)一步提高細(xì)頸的磨削質(zhì)量及撓性接頭角剛度的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ).研究結(jié)果表明，提高砂輪線速度，可以大大減小磨削過(guò)程對(duì)工件表面的熱作用寬度和深度，有利于減小熱損傷和提高表面質(zhì)量.

撓性接頭； 微細(xì)磨削； 仿真； 殘余應(yīng)力

由于慣性導(dǎo)航技術(shù)的保密與封鎖性，現(xiàn)有文獻(xiàn)都局限于對(duì)撓性接頭細(xì)頸工藝方法的研究，而鮮有3J33材料磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力、熱及其對(duì)加工質(zhì)量的作用機(jī)制的研究報(bào)導(dǎo).文獻(xiàn)[2]對(duì)一體式撓性接頭制造工藝技術(shù)進(jìn)行了全面分析.文獻(xiàn)[3]對(duì)撓性接頭制造關(guān)鍵技術(shù)及措施和研磨必要性進(jìn)行了探討.文獻(xiàn)[4]對(duì)撓性陀螺關(guān)鍵部件撓性接頭的結(jié)構(gòu)和工藝做了較為詳細(xì)的綜述，并指出細(xì)頸一般采用精密鏜床鏜孔或磨床磨孔.在難加工材料的磨削仿真中，文獻(xiàn)[5]采用有限元方法研究了GH4169高溫合金、TC4鈦合金磨屑形成過(guò)程，以及磨削速度對(duì)磨屑形態(tài)、磨削力和磨削溫度的影響.文獻(xiàn)[6]利用ANSYS/LS-DYNA模擬單顆磨粒磨削光學(xué)玻璃的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析了磨削深度、高的砂輪線速度及其綜合作用情況對(duì)光學(xué)玻璃延性磨削的影響，揭示了光學(xué)玻璃的高速延性磨削機(jī)理.然而這些模型中都忽略了單顆磨粒的最大未變形厚度，且現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)其他難加工材料如鈦合金、陶瓷、高溫合金的磨削研究較多，而對(duì)于超高強(qiáng)度鋼的磨削仿真甚至殘余應(yīng)力研究幾乎空白.

工件材料、砂輪速度、工件速度等實(shí)際磨削條件對(duì)材料的彈塑性變形及磨削機(jī)理等具有重要影響.認(rèn)識(shí)單顆磨粒的磨削作用是考察復(fù)雜磨削過(guò)程及其作用的重要方法[7].本文基于有限元仿真技術(shù)，開展微細(xì)磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力、熱及其對(duì)殘余應(yīng)力作用機(jī)制的研究，為一體式撓性接頭的高質(zhì)量制造提供工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù).

1　單顆磨粒微細(xì)磨削仿真模型的構(gòu)建

ABAQUS分析軟件具有優(yōu)秀的網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)，并可以設(shè)置刀具旋轉(zhuǎn)，但它對(duì)殘余應(yīng)力仿真計(jì)算的應(yīng)用技術(shù)尚不夠成熟.Advantedge是專業(yè)的殘余應(yīng)力分析軟件，但在二維仿真中不能設(shè)置刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).故采用ABAQUS建立單顆磨粒仿真模型，研究CBN(cubic boron nitride)磨粒在不同磨削參數(shù)下的力熱作用機(jī)制.采用Advantedge建立基于單顆磨粒的殘余應(yīng)力仿真模型，分析不同工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的作用機(jī)制，為實(shí)際生產(chǎn)加工工藝參數(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)，從而提高加工質(zhì)量和效率.

磨削是大量磨粒同時(shí)與被加工材料相互作用并完成材料去除的過(guò)程，磨削表面的形成機(jī)理非常復(fù)雜.因此，可將復(fù)雜磨削過(guò)程簡(jiǎn)化為單顆磨粒磨削的二維仿真模型，不僅模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，而且能夠觀察到材料的塑性流動(dòng)和應(yīng)力變化規(guī)律.

1.1微細(xì)磨削仿真幾何運(yùn)動(dòng)模型

(1)

其中：vs為砂輪線速度；vw為工件線速度；Nd為砂輪動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)；θ為磨粒頂錐半角；ap為切深；ds為砂輪直徑；dw為工件直徑.

基于ABAQUS軟件平臺(tái)建立單顆磨粒磨削動(dòng)態(tài)行為的二維仿真模型，單顆磨粒以一定的線速度圍繞砂輪中心旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，其中：Rs為砂輪半徑，L和b分別為工件模型的長(zhǎng)度和寬度.工件速度相對(duì)于磨粒速度而言很小，可使工件固定不動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了切削厚度從零增加至agmax.改變砂輪速度和最大未變形厚度可得到相應(yīng)的力、熱演變規(guī)律.

圖1　單顆磨粒磨削過(guò)程示意圖Fig.1　Single grain grinding process diagram

基于Advantedge軟件平臺(tái)的二維正交微切削模塊，構(gòu)建單顆磨粒磨削高彈性合金的仿真模型，如圖2(a)所示，單顆磨粒磨削過(guò)后自動(dòng)冷卻工件至室溫，可查看工件殘余應(yīng)力值及其分布狀態(tài)，如圖2(b)所示.通過(guò)改變不同砂輪線速度和切深可得到殘余應(yīng)力分布規(guī)律.

圖2　磨削殘余應(yīng)力仿真模型Fig.2　Grinding residual stress simulation model

1.2磨削工藝參數(shù)組合方案

(2)

表1　磨削工藝參數(shù)Table 1　The grinding process parameters

1.3材料本構(gòu)模型的建立

慣性導(dǎo)航關(guān)鍵件撓性接頭的材料為高彈性合金3J33，是馬氏體時(shí)效鋼.Ni18-250是一種超高強(qiáng)度鋼.由兩者材料成分(如表2)與物理性能(如表3)對(duì)比可知[9-11]，兩者同屬馬氏體時(shí)效鋼，成分性能相似，相對(duì)誤差足夠小，因此，仿真研究中，采用Ni18-250本構(gòu)模型代替3J33.磨粒視為剛體，材料為CBN，其物理性能參數(shù)如表4所示.

表2　3J33與Ni18-250成分對(duì)比Table 2　Composition comparison between 3J33 and Ni18-250　%

表3　3J33與Ni18-250物理性能對(duì)比Table 3　Physics performance comparison between 3J33 and Ni18-250

在模擬磨削時(shí)，應(yīng)使用能真實(shí)反映應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力影響的本構(gòu)方程.考慮各種因素對(duì)工件材料硬化應(yīng)力的影響，應(yīng)用Johnson-cook模型，認(rèn)為材料在高應(yīng)變率下表現(xiàn)為應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化效應(yīng).Johnson-cook數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示.

(3)

表5　Ni18-250JC模型參數(shù)Table 5　Ni18-250JC model parameters

1.4網(wǎng)格劃分

圖3　工件網(wǎng)格的劃分Fig.3　Workpiece meshing

2　微細(xì)磨削仿真結(jié)果分析

通過(guò)微細(xì)磨削仿真，研究不同工藝參數(shù)組合對(duì)磨削力和熱的影響，進(jìn)而探討力、熱對(duì)工件表面質(zhì)量完整性的影響.由于撓性接頭細(xì)頸的尺寸精度及使用性能要求極高，應(yīng)以零件的表面質(zhì)量及磨削精度為主要考慮因素，在質(zhì)量精度范圍內(nèi)提高加工效率，在現(xiàn)有條件下進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，為實(shí)際加工提供理論支撐.

2.1磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力、熱影響機(jī)制

圖4　磨削溫度取點(diǎn)示意圖Fig.4　Grinding temperature access point diagram

(a) 磨削力

(b) 工件表面溫度圖5　砂輪線速度對(duì)磨削力與工件表面溫度的影響Fig.5　Influence of wheel speed on grinding force and workpiece surface temperature

(a) 磨削力

(b) 工件表面溫度圖6　磨削切深對(duì)磨削力和工件表面溫度的影響Fig.6　Influence of cutting depth on grinding force and workpiece surface temperature

(a)vs=5 m/s,ap=3m

(b)vs=25 m/s,ap=3m

(c)vs=15 m/s,ap=1m

(d)vs=15 m/s,ap=6m圖7　工件磨削表面的熱分布云圖Fig.7　Thermal distribution diagram of workpiece grinding surface

2.2磨削工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響機(jī)制

磨削殘余應(yīng)力是工件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響接頭的變形及質(zhì)量穩(wěn)定性，研究工藝參數(shù)引起的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，可以為優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇提供理論依據(jù).殘余應(yīng)力分布如圖8所示.由圖8可知，微細(xì)磨削的表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力(-150～-400 MPa)，亞表層應(yīng)力為拉應(yīng)力(150～300 MPa)，說(shuō)明機(jī)械效應(yīng)起主導(dǎo)作用，熱效應(yīng)引起的拉應(yīng)力不足以逆轉(zhuǎn)機(jī)械效應(yīng)引起的壓應(yīng)力.當(dāng)切深不變時(shí)(圖8(a))，從磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用力角度來(lái)分析，當(dāng)砂輪線速度提高，磨削力下降，使得表面殘余壓應(yīng)力值和亞表層拉應(yīng)力值減?。粡哪ハ鳠嶙饔脜^(qū)域來(lái)分析，砂輪線速度提高，雖然工件表面溫度有所提高，但磨削熱作用深度減小，導(dǎo)致拉應(yīng)力分布層深度減小，綜合結(jié)果為應(yīng)力極差值降低，工件表面質(zhì)量穩(wěn)定.同理，當(dāng)砂輪線速度不變時(shí)(圖8(b))，切深越大殘余壓應(yīng)力與拉應(yīng)力層越深，應(yīng)力極差越大，質(zhì)量越不穩(wěn)定.

(a) 砂輪線速度(ap=3m)

(b) 磨削深度(vs=15 m/s)圖8　磨削工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的作用Fig.8　Grinding process parameters’ effect on residual stress

(a)vs=5 m/s,ap=3m

(b)vs=25 m/s,ap=3m

(c)vs=15 m/s,ap=1m

(d)vs=15 m/s,ap=6m圖9　不同磨削參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布云圖Fig.9　Residual stress distribution diagram under different grinding parameters

但考慮到vs=15 m/s(ns=120 000 r/min)為主軸極限速度，可能會(huì)引起主軸負(fù)荷過(guò)大，壽命有所降低.當(dāng)vs=12.5 m/s時(shí)，與vs=15 m/s相比磨削力增加程度在14%以內(nèi)，磨削熱變化幅度不明顯，導(dǎo)致壓應(yīng)力增加的程度大于拉應(yīng)力，最終使得應(yīng)力極差值增大9.8%.這雖然對(duì)于細(xì)頸的變形具有一定的影響，但若采用極限轉(zhuǎn)速，主軸跳動(dòng)量大同樣對(duì)零件變形有影響，綜合考慮下在零件所允許變形范圍內(nèi)可采用vs=12.5 m/s(ns=100 000 r/min)進(jìn)行加工.

3　結(jié)　語(yǔ)

本文針對(duì)撓性接頭細(xì)頸易變形、內(nèi)表面加工散熱條件差等薄弱環(huán)節(jié)，研究了磨削參數(shù)對(duì)磨削力和工件表面溫度的作用機(jī)制，探索了磨削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響.結(jié)果表明，可以依據(jù)零件質(zhì)量要求和材料去除率目標(biāo)，進(jìn)行磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要策略與結(jié)論如下所述.

(1) 在磨削深度一定，材料去除率一定時(shí)，提高砂輪線速度不僅降低磨削力，還降低熱作用區(qū)域，使得磨削殘余應(yīng)力極差變小，易于減少零件的加工變形.

(2) 在砂輪線速度一定，在保證工件質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提高磨削深度，可以大大提高材料去除率.

(3) 提高砂輪線速度，可以大大減小磨削過(guò)程對(duì)工件表面的熱作用寬度和深度，有利于減小熱損傷和提高表面質(zhì)量.因此，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇高的砂輪線速度，再適當(dāng)提高磨削切深，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率的完美統(tǒng)一.

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Simulation of High Elastic Alloy Micro-grinding

LIUXiang-lin，LIBei-zhi，YANGJian-guo，ZHOUZhen-xin，JIANGXiao-hui

(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

Flexible joints are weak stiffness parts, which are easy to distort in the micro-grinding process, and it’s difficult to control the machining accuracy. In order to rise the performance of the flexible joint, the grinding process parameters and surface quality of the neck of flexible joint are researched primarily. Based on the theory of elastic-plastic mechanics, a finite element model of single grain of micro-grinding with ABAQUS is built. By using this model, the simulation is conducted to analyze the effect of the process parameters on the grinding force and temperature. Effect of process parameters on the residual stress is studied, using Advantedge professional metal cutting software. It lays a foundation for further improving the grinding quality of the neck and the angle stiffness stability of the flexible joint. The results show that improving grinding wheel line speed, the width and depth of the surface thermal effect can be greatly reduced, and the thermal damage can be reduced and the surface quality can be improved.

flexible joints； micro-grinding； simulation； residual stress

1671-0444(2015)03-0354-06

2014-02-28

國(guó)家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA041309)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX04016-041)

劉湘林(1989—)，女，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù).E-mail:liuxl8023@126.com

李蓓智(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail:lbzhi@dhu.edu.cn

TG 580.63

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