精密孔珩磨加工仿真分析及工藝參數(shù)優(yōu)選*

張艷崗，郭巨壽，張雪冬，蘇鐵熊，董家廣

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051；2. 北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司，山西 大同 037036)

精密孔珩磨加工仿真分析及工藝參數(shù)優(yōu)選*

張艷崗1，郭巨壽2，張雪冬2，蘇鐵熊1，董家廣1

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051；2. 北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司，山西 大同 037036)

針對(duì)目前珩磨加工領(lǐng)域面臨的試驗(yàn)成本高、工藝參數(shù)優(yōu)選困難的問題，提出一種精密孔珩磨加工仿真分析方法。首先分析了珩磨加工機(jī)理及仿真分析的力學(xué)基礎(chǔ)，以某單體泵泵體柱塞孔為研究對(duì)象，構(gòu)建了珩磨加工有限元模型，利用珩磨加工過程的有限元仿真分析對(duì)珩磨過程交叉網(wǎng)紋的形成以及珩磨尺寸精度提取的后處理方法進(jìn)行了研究；最后結(jié)合具體研究對(duì)象進(jìn)行了五種不同工藝方案的仿真分析對(duì)比，優(yōu)選了工藝參數(shù)。文中研究成果可為精密孔珩磨加工技術(shù)提供理論指導(dǎo)。

精密孔；珩磨；有限元；工藝參數(shù)優(yōu)選

0 引言

電控燃油噴射技術(shù)能夠根據(jù)燃燒工況的變化精確地控制燃油噴射量，從而使燃燒更加充分，達(dá)到降低油耗、提高功率的目的。然而電控燃油噴射技術(shù)的有效應(yīng)用依賴于其系統(tǒng)的精密制造工藝。目前電控燃油噴射系統(tǒng)的精密件加工制造技術(shù)仍然存在眾多難題，其中像電控單體泵泵體上柱塞孔、控制閥孔等精密珩磨工藝的一直是國(guó)內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)。孫伏[1]從運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)角度研究了珩磨頭的三維設(shè)計(jì)與仿真分析方法；周耿烈等[2]在對(duì)珩磨過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上利用MATLAB軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析；中北大學(xué)以祝錫晶教授為核心的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)[3-5]針對(duì)超聲珩磨技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了很多成果；廖秋巖等[6-7]通過構(gòu)建珩磨力學(xué)模型對(duì)大型雙進(jìn)給珩磨頭進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)分析；周麗娟[8]等從油石工作壓力、行程，切削速度及交叉角等方面探討了工藝參數(shù)的選擇規(guī)則；張永貴[9]等利用有限元方法分析了工藝參數(shù)對(duì)珩磨溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

綜合上述研究現(xiàn)狀，目前的精密零件珩磨加工技術(shù)還處于探索階段，關(guān)于精密孔珩磨加工工藝參數(shù)優(yōu)選的理論研究較少，珩磨工藝數(shù)據(jù)主要依靠大量的工藝試驗(yàn)獲得，缺乏成熟系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致珩磨工藝技術(shù)研究的試驗(yàn)成本高，工藝參數(shù)很難得到優(yōu)選。鑒于此，本文以某電控單體泵泵體柱塞孔的珩磨加工為研究對(duì)象，通過研究珩磨加工機(jī)理，建立內(nèi)孔珩磨的數(shù)學(xué)模型和有限元模型，深入探討珩磨加工仿真的后處理分析方法，最后基于珩磨加工仿真分析實(shí)現(xiàn)了珩磨工藝參數(shù)的優(yōu)選。

1 珩磨加工機(jī)理

如圖1所示，珩磨加工是采用安裝在珩磨頭上的珩磨條，在張緊機(jī)構(gòu)的壓力作用下壓向工件內(nèi)孔壁以產(chǎn)生一定的接觸面，并沿徑向進(jìn)行微量進(jìn)給，同時(shí)珩磨頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)孔的低速磨削和摩擦拋光的旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)，油石磨粒在孔表面的切削軌跡產(chǎn)生交叉網(wǎng)紋，因而獲得表面粗糙度較小的加工表面。

圖1 珩磨加工原理示意圖

珩磨加工時(shí)油石表面的磨粒與孔壁的重疊接觸點(diǎn)發(fā)生干涉，油石磨粒在把孔壁干涉點(diǎn)磨去的同時(shí)油石表面上的干涉點(diǎn)也發(fā)生破碎或脫落。油石表面與孔壁在反復(fù)加工中相互修正，而在整個(gè)加工過程中，油石表面與孔壁上各點(diǎn)相互干涉的機(jī)會(huì)認(rèn)為是均等的，所以隨著加工的進(jìn)行，孔壁表面和油石表面會(huì)不斷地產(chǎn)生干涉點(diǎn)，同時(shí)這些干涉點(diǎn)都被磨掉，繼續(xù)產(chǎn)生更多的新干涉點(diǎn)，油石表面與孔壁相互干涉的程度越來越小，孔壁與珩磨頭油石表面的圓度及圓柱度不斷提高，最后實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔表面的精加工。

1.1 珩磨加工的力學(xué)基礎(chǔ)

(1)油石與孔壁之間接觸摩擦關(guān)系

珩磨加工時(shí)油石與孔壁的摩擦過程非常復(fù)雜，有限元仿真時(shí)一般采用修正的Coulomb摩擦定律，該方法將摩擦區(qū)分為滑動(dòng)區(qū)和黏著區(qū)，其表達(dá)為：

(1)

(2)珩磨加工溫度場(chǎng)數(shù)值分析

珩磨加工時(shí)切削熱主要來源是切屑的塑性變形功以及油石與切屑之間的摩擦功。仿真時(shí)定義磨粒為主動(dòng)件，工件為從動(dòng)件，磨粒與工件之間為庫(kù)侖摩擦(由工件和油石的材料以及兩者之間的接觸狀態(tài)定義摩擦系數(shù)μ=0.1)。基于JaegerJ.C.建立的矩形熱源磨削溫度理論，內(nèi)孔珩磨加工溫度為：

(2)

(3)切屑分離和斷裂準(zhǔn)則

珩磨加工仿真的關(guān)鍵是切屑的有效分離。仿真采用無量綱NormalizedCockcroft&Latham切屑分離準(zhǔn)則。斷裂準(zhǔn)則采用刀尖處工件的有限單元應(yīng)變能達(dá)到材料失效設(shè)定值時(shí)的準(zhǔn)則，該斷裂準(zhǔn)則可定義為：

(3)

式中，c為材料臨界破壞值；ε為等效應(yīng)變；εf為材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)變值；σ＊為最大應(yīng)力。

1.2 珩磨加工仿真模型簡(jiǎn)化

基于前面的珩磨機(jī)理分析，珩磨加工實(shí)際上是油石表面上大量排列的參差不齊、形狀各異的磨粒共同完成的磨削過程。磨削本質(zhì)是油石上每一磨粒對(duì)工件發(fā)生微觀切削，然而由于先后參與珩磨的磨粒較多，每個(gè)磨粒位置隨機(jī)，每個(gè)磨粒的切削形狀不規(guī)律以及切削深度小且不一致等等原因交互影響，準(zhǔn)確判定珩磨表面形成機(jī)理和材料去除規(guī)律非常困難。因此必須對(duì)珩磨加工仿真進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文擬從珩磨條對(duì)邊界切削層的磨削研究入手，將異常復(fù)雜的珩磨加工簡(jiǎn)化為珩磨條對(duì)工件材料表面的磨削，研究其切削行為。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通常將磨粒抽象為簡(jiǎn)單的幾何形狀，采用簡(jiǎn)化的單個(gè)二維磨粒切削模型來分析磨屑形成、磨削力變化、磨粒磨損等過程，獲得了許多有價(jià)值的研究成果，然而未能通過構(gòu)建珩磨加工的三維仿真模型來模擬其實(shí)際加工過程，進(jìn)而理論分析珩磨加工精度。

2 珩磨加工仿真分析研究

在上述珩磨加工機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，文中以某電控單體泵泵體柱塞孔珩磨加工為研究對(duì)象，通過構(gòu)建其珩磨過程的仿真模型，開展了珩磨加工過程的三維模擬研究。

2.1 珩磨加工仿真模型構(gòu)建

如圖2所示，課題組采用一列四棱錐作為簡(jiǎn)化的珩磨頭模型。為了保證精度前提下降低計(jì)算量，珩磨頭模型采用的不是實(shí)體，而是面體。仿真分析中不考慮珩磨頭本身的變形和自銳過程，即該珩磨頭模型為剛性的面體，可以最大化地降低計(jì)算量；由于珩磨加工余量很小，柱塞孔模型中孔壁只需要保留接近內(nèi)孔表面的薄層材料即可，因此采用如圖3所示的珩磨孔模型，珩磨仿真的有限元模型如圖4所示，在靠近孔壁的地方細(xì)化了網(wǎng)格。在切削過程中，塑性變形應(yīng)考慮應(yīng)變、溫度和應(yīng)變率的影響，采用Johnson-Cook模型[10]作為珩磨材料的本構(gòu)模型，采用剪切失效模型實(shí)現(xiàn)切屑從工件分離。本次仿真分析的工件材料為42CrMoA，材料密度ρ=7830kg/m3，彈性模量E=208000Pa，泊松比μ=0.3。

圖2 珩磨條模型

圖3 柱塞孔模型

圖4 珩磨加工仿真有限元模型

2.2 珩磨仿真及結(jié)果分析

(1)珩磨仿真過程分析

珩磨過程中孔壁材料等效塑性應(yīng)變，如圖5所示。其中藍(lán)色區(qū)域是還沒有被珩磨加工的區(qū)域，等效塑性應(yīng)變可以作為表征網(wǎng)紋的變量。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，珩磨加工后表面產(chǎn)生交叉網(wǎng)紋，網(wǎng)紋上各位置的變形不同，可以得到珩磨后孔壁的上表面沿母線的法向位移，由此可以進(jìn)一步通過后處理計(jì)算表面粗糙度、直線度、同心度等所需要的數(shù)據(jù)。

圖5 珩磨加工過程示意圖

(2)仿真結(jié)果后處理

珩磨三維仿真分析的后處理過程比較復(fù)雜，是珩磨工藝仿真的難點(diǎn)之一。在觀察每個(gè)切削時(shí)刻變形的基礎(chǔ)上，在整個(gè)切削過程完成后，需要進(jìn)一步通過采點(diǎn)獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移值，獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的多少與網(wǎng)格疏密關(guān)系較大，然后通過建立不同尺寸精度分析的線性路徑，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所獲得的精度曲線進(jìn)行柱塞孔加工后尺寸精度的計(jì)算分析和表面粗糙度分析(文中限于篇幅僅說明路徑拾取及尺寸精度計(jì)算的后處理方法)。

首先可以建立線性路徑，提取路徑上的節(jié)點(diǎn)的法向位移即為尺寸精度。線性路徑為沿孔母線方向的路徑。在提取線性路徑的法向位移時(shí)，該法向位移非自動(dòng)捕捉變量，而是沿坐標(biāo)系軸方向(比如沿x方向)的捕捉位移，必須保證x方向和路徑所在圓柱面的法向一致。

如圖6所示，拾取加工完成后的變形狀態(tài)，沿坐標(biāo)軸x向，選擇任一條孔壁直線，從上表面開始，逐個(gè)提取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，形成的直線即為路徑。按照上述方法，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為默認(rèn)直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，創(chuàng)建柱坐標(biāo)系。同時(shí)將當(dāng)前默認(rèn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為柱坐標(biāo)系。在柱坐標(biāo)系下拾取目標(biāo)路徑，并計(jì)算相應(yīng)的尺寸精度。在研究不同工藝參數(shù)對(duì)零件加工質(zhì)量的影響時(shí)，可以只設(shè)一個(gè)因變量的工藝參數(shù)，其它均為不變量。故應(yīng)保證在同一條件下的仿真模擬，即在保證同一路徑的前提下，對(duì)其它兩組分別創(chuàng)建并提取數(shù)據(jù)。

圖6 線性路徑提取

3 珩磨工藝參數(shù)優(yōu)選

珩磨工藝綜合了磨削速度快和研磨精度高的優(yōu)點(diǎn)，影響珩磨加工精度的因素很多，但主要有兩種：①珩磨頭旋轉(zhuǎn)速度；②珩磨油石參數(shù)。這兩個(gè)因素直接影響到了工件的加工質(zhì)量，文中進(jìn)一步針對(duì)不同工藝參數(shù)(見表1)下的珩磨加工過程展開仿真分析，力求從理論角度獲得最優(yōu)珩磨工藝參數(shù)，為進(jìn)一步實(shí)際加工驗(yàn)證提供理論指導(dǎo)。

表1 不同工藝方案的詳細(xì)參數(shù)

(a)工藝方案1

(b)工藝方案2

(c)工藝方案3

(d)工藝方案4

(e)工藝方案5圖7 不同工藝方案下珩磨加工仿真變形圖

圖7為不同工藝方案下珩磨加工仿真變形圖，珩磨過程中在孔壁上形成交叉網(wǎng)紋，從圖中采點(diǎn)并利用前面后處理方法計(jì)算珩磨加工后的直線度、圓度以及表面粗糙度等數(shù)據(jù)見表2所示，對(duì)比仿真分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)方案四為最優(yōu)加工工藝方案，本方案優(yōu)選結(jié)果可為后續(xù)的珩磨加工試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)可通過試驗(yàn)加工來驗(yàn)證理論研究的可靠性和有效性。

表2 珩磨工藝仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

精密孔的珩磨加工過程是一種高效率、高精度的特殊加工方法，文中以電控單體泵泵體柱塞孔為研究對(duì)象，對(duì)珩磨加工工藝進(jìn)行了理論分析及數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論如下：

(1)珩磨仿真分析的后處理較為復(fù)雜，需要綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理等知識(shí)來分析計(jì)算所需的直線度、圓度以及表面粗糙度，為珩磨工藝試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)；

(2)由于邊界條件施加困難、后處理復(fù)雜、計(jì)算非常耗時(shí)等難點(diǎn)，珩磨加工仿真一直是金屬切削仿真的難題，文中研究過程中提出的邊界條件定義、模型簡(jiǎn)化方法以及后處理方法均可為相關(guān)的珩磨工藝仿真提供參考；

(3)利用珩磨工藝的三維仿真分析可以有效預(yù)測(cè)珩磨加工后的直線度、圓度以及表面粗糙度。文中以直線度、圓度以及表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)五種不同珩磨工藝方案進(jìn)行了優(yōu)選，確定了方案4(珩磨桿轉(zhuǎn)速：360 r/min，珩磨余量0.01mm，油石型號(hào)NM005)，為下一步試驗(yàn)驗(yàn)證工作的開展提供了理論指導(dǎo)。

[1] 孫伏. 珩磨頭三維設(shè)計(jì)與仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(3):188-190.

[2] 周耿烈, 胡赤兵, 陳杉杉,等, 基于參考模型的珩磨機(jī)往復(fù)位置自適應(yīng)控制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012(4):52-55.

[3] 成全, 祝錫晶, 王建青. 超聲平臺(tái)珩磨機(jī)理分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2012(8)：90-91,100.

[4] 劉國(guó)東, 祝錫晶, 郭策. 功率超聲珩磨磨削區(qū)空化聲場(chǎng)的建模與仿真研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào), 2013,38(6):663-668.

[5] 祝錫晶.功率超聲振動(dòng)珩磨技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[6] 廖秋巖，翁 捷，王亞杰. 大型雙進(jìn)給珩磨頭的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].機(jī)械制造,2015(2):21-23.

[7] 廖秋巖. 大型雙進(jìn)給珩磨頭的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].機(jī)械制造,2015(1):5-6.

[8] 周麗娟, 趙向陽, 孫濤. 珩磨工藝及設(shè)備在偶件精密加工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2011(8)：48-50.

[9] 張永貴，楊云江，徐建華. 珩磨工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(12):105-108.

[10] 張艷崗,蘇鐵熊,毛虎平,等. 基于真實(shí)軌跡的高強(qiáng)度鋁合金銑削加工數(shù)值模擬[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(1):153-155,160.

(編輯 李秀敏)

Simulation Analysis and Process Parameter Optimization of Precision Hole Honing

ZHANG Yan-gang1,GUO Ju-shou2,ZHANG Xue-dong2,SU Tie-xiong1,DONG Jia-guang1

(1.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China, Taiyuan 030051, China；2.The North General Power Group Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037036, China)

For the problems of honing technology currently including expensive experiment costs and difficult optimization of process parameter, the simulation analysis method of honing precision hole. Firstly, the mechanical basis of simulation analysis and machining mechanism of honing were analyzed. Secondly, finite element model of honing was build taking the plunger hole of the monoblock pump body as research object, formation process to intersect textured of honing was studied by simulation analysis, and post-processing method of dimensional accuracy extraction was introduced. Finally, simulation analysis comparison of five different process schemes combining specific conditions was carried on and the process parameters were optimized. Research results can provide theoretical guidance for honing technology of precision hole.

precision hole;honing;finite element; process parameters optimization

1001-2265(2017)02-0142-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.037

2016-01-30；

2016-03-17

車用動(dòng)力基礎(chǔ)科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(1906)

張艷崗(1981—)，男，山西原平人，中北大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，(E-mail)zyg31124@163.com。

TH162;TG506

A