介觀尺度下單顆磨粒對切屑變形區(qū)應力影響研究

鄭向周

(運城職業(yè)技術學院 機電工程系，山西 運城 044000)

0 引言

鈦合金作為航天、醫(yī)療器械和核電等領域廣泛使用的材料，具有比強度高、耐腐蝕性好和抗高溫性能強等良好性能[1]。單鈦合金也是一種典型的難加工材料。在精密與超精密的磨削加工中，鈦合金的導熱性差和韌性大等特點也使得磨削區(qū)的磨削力和磨削溫度都較高，這給加工過程帶來了一定的困難[2]。在介觀尺度下研究鈦合金的磨削過程的規(guī)律時，微觀尺寸不易把握，實驗很難實現真實的磨粒微磨削的切削過程，并且實驗成本很高。因此利用有限元軟件進行仿真分析能達到省時省力的效果。

SU等[3]采用ALE網格劃分技術，建立了一種具有四凌錐切刃的單顆磨粒磨削模型。言蘭等[4]采用FEM分析了單磨粒磨削D2鋼時磨削速度對磨削溫度的影響。廖熙淘等[5]采用有限元分析來研究了磨削過程中的磨屑形成機理。劉偉等[6]對單顆金剛石磨粒切削氮化硅陶瓷進行仿真與試驗研究，分析了工件材料的切屑去除、切削力變化以及應力動態(tài)變化與分布等現象，并對有限元仿真的正確性進行了驗證。

目前，尚未見針對TC4合金材料切屑變形區(qū)流動應力受單顆磨粒磨削時磨削深度、磨削速度和磨粒圓錐角影響的綜合分析。文中針對單磨粒磨削時工件材料受磨粒磨削參數——磨削深度、磨削速度和磨粒圓錐角的影響，利用有限元軟件ABAQUS的Explicit模塊建立熱-力耦合的單顆磨粒磨削仿真平面模型，并對磨削過程中切屑變形區(qū)流動應力的變化情況進行分析。

1 單顆磨粒磨削的模型建立

磨粒磨削的外形特征有別于普通車削，磨粒磨削時為磨粒頭部的半圓弧面與工件材料接觸，因此將磨粒磨削部位簡化成圓錐角為θ的圓錐體[7]。磨粒磨削刃的等效半徑為r，磨削深度為h。用三角形網格單元和四邊形網格單元分別對磨粒和工件進行劃分，如圖1所示。工件兩個上表面和左右邊均采用密度偏離撒種，工件模型網格總單元數為5715，總節(jié)點數為5935。當磨粒刃圓半徑r為0.1μm和1μm時，工件的幾何尺寸為40μm×12μm；當磨粒刃圓半徑r為10μm時，工件的幾何尺寸為400μm×1200μm。

(a)磨粒網格

(b)工件網格圖1 磨粒和工件的有限元網格劃分

在介觀尺度下，精密與超精密磨削會使材料的應力變化不同于普通磨削。許多學者實驗發(fā)現：材料在介觀尺度下的變形，其應力分布出現應變梯度效應的現象。建立熱-力耦合的正交微磨削有限元仿真平面模型，設置接觸面的傳熱系數為0.9。為簡化模型分析，做以下假設[8]：①磨粒的磨削簡化為為平面切削過程；②磨削過程視為穩(wěn)態(tài)切削過程；③磨削溫度不足以使材料有金相組織等變化；④刀具被約束為剛體。

為體現介觀尺度下應變梯度的材料本構模型，選擇Johnson-Cook模型，其數學模型為[8]：

(1)

運用有限元軟件ABAQUS的Explicit模塊對單顆磨粒正交磨削過程進行仿真分析。其邊界條件設置如下：①工件三條邊的平面自由度受約束；②給刀具設定一參考點，在此點上添加向左的速度自由度，其他均被約束。如圖2所示。

圖2 單顆磨粒磨削模型的邊界條件約束

該模型選用罰函數的摩擦模型，摩擦因數為0.5。TC4鈦合金材料性能參數如表1所示[9]。

表1 工件和磨粒材料參數

2 結果及分析

2.1 仿真結果

單顆磨粒的仿真磨削過程如圖3所示。從圖上可看出，該模型證明了在介觀尺度下磨削時工件材料應力分布的應變梯度效應現象。從放大圖中可看出切屑變形區(qū)應力分布不均的特點——切屑內的應力以磨粒與切屑接觸表面的某一點為中心向切屑根部呈梯度變化的現象，應力先增大后減小，從而在切屑與磨粒的接觸附近出現應力梯度現象，這會對切屑的塑性形成過程以及磨削后工件表面的質量產生一定的影響[10]。

圖3 單顆磨粒磨削仿真模型

改變單顆磨粒磨削的磨削深度h、磨削速度v與圓錐角θ的數值大小，如圖4所示。圖4分別表示不同磨削深度、圓錐角和磨削速度的仿真效果圖。從四張圖可以看出，所用幾種參數不同，與磨粒切刃部位接觸的材料表面應力分布也有所差異。具體從圖4a和圖4b可看出其它參數不變僅改變磨削深度，增大磨削深度后高應力區(qū)向切削根部轉移；從圖4b和圖4c可看出其它參數不變僅改變圓錐角度，增大圓錐角可能會使得切削第二變形區(qū)有高應力區(qū)出現，這會加劇磨粒表面的磨損；從圖4c和圖4d可看出其它參數不變僅改變磨削速度，切削第二變形區(qū)的高壓區(qū)依然存在，應力只有微弱的減少。

(a) θ=30°，r=1μm，h=0.3μm，v=60m/min

(b) θ=30°，r=1μm，h=3μm，v=60m/min

(c) θ=90°，r=1μm，h=3μm，v=60m/min

(d) θ=90°，r=1μm，h=3μm，v=180m/min圖4 不同參數的單顆磨粒磨削仿真模型

2.2 數據分析

針對單磨粒磨削工件時材料表面形成隆起切屑變形區(qū)的最小流動應力(σ-Min)和最大流動應力(σ-Max)以及流動應力的差值(Δσ)進行分析。接下來將具體研究單磨粒磨削深度、磨削速度和圓錐角的變化對以上三個因變量的影響。

(1)磨削深度取h=0.2，0.3，0.5，1，1.5，2，2.5，3μm；采集仿真數據并繪制曲線圖，如圖5所示。由圖可知，在磨削深度很小時，切屑變形區(qū)的應力大小體現越小越強的現象，即在介觀尺度下的應力梯度效應現象，隨著磨削深度的增加，流動應力先降低并趨于穩(wěn)定。然而在磨削深度h<0.5μm時Δσ數值在200MPa左右，隨著磨削深度的增加Δσ逐漸增大。Δσ數值越小，則切屑的塑性變形越穩(wěn)定，從而減少切屑的崩裂去除并提高工件表面的平整度。

圖5 磨削深度對切屑變形區(qū)流動應力的影響

(2)磨削速度取v=30，60，90，120，150，180，210，240，270m/min；采集仿真數據并繪制曲線圖，如圖6所示。由圖可知，切屑變形區(qū)最大流動應力變化很?。蛔钚×鲃討ο葴p小后增大；二者的差值Δσ也比較大，即400MPa左右。因此磨削速度對切屑變形區(qū)流動應力差值的影響不明顯。

圖6 磨削速度對切屑變形區(qū)流動應力的影響

(3)圓錐角取θ=30°，60°，90°；采集仿真數據并繪制曲線圖，如圖7所示。由圖可知，切屑變形區(qū)流動應力均略微有所降低，Δσ變化穩(wěn)定，在400MPa左右，幾乎不受圓錐角的影響。因此圓錐角對流動應力差值幾乎沒有影響。

圖7 圓錐角對切屑變形區(qū)流動應力的影響

由以上三張流動應力曲線圖對比可知，減小磨削深度可使切屑變形區(qū)流動應力的差值降低，減少磨削時的振動，從而提高工件表面質量的穩(wěn)定性。分析三種因素影響切屑變形區(qū)材料流動應力的變化情況可知：增大磨削速度更容易引起磨削時材料去除的振動，從而降低工件表面質量；而增大磨削深度對材料去除的振動影響最小。綜合分析可得出最優(yōu)參數組為：磨削深度取1μm，磨削速度取90m/min，圓錐角度,取30°。

3 結論

基于熱力耦合理論建立了TC4合金的單顆磨粒磨削平面模型，并通過有限元仿真觀察了介觀尺度下材料的應變梯度效應。結果顯示磨粒的磨削深度、速度及磨粒圓錐角度對切屑變形區(qū)應力及工件表面質量有影響。具體表現為：減小磨削深度更有利于提高工件表面質量；減小磨削速度，工件表面應力的最小值有

所增加；而減小磨粒圓錐角度會使有先流動應的最大值和最小值等值變化，其差值幾乎穩(wěn)定不變。通過分析我們得出較為合理的磨削參數組，分析結果對進一步研究TC4合金的磨削奠定了重要的理論基礎。

[參考文獻]

[1] 朱知壽，王新南，童路，等.中國航空結構用新型鈦合金研究[J]. 鈦工業(yè)進展，2007，24(6)：28-32.

[2] 唐洋洋，袁守謙，衛(wèi)琛浩，等.TC4鈦合金表面處理技術對腐蝕性能的影響[J]. 熱加工工藝，2015，44(8)：21-23.

[3] SU Chong，HOU Jun-ming，ZHU Li-da，et al. Simulation Study of Single Grain Cutting Based on Fluid-Solid-Interaction Method [J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(19)：5250-5253.

[4] 言蘭，姜峰，融亦鳴.基于數值仿真技術的單顆磨粒切削機理[J]. 機械工程學報，2012，48(11)：172-182.

[5] 廖熙淘，劉德福，唐進元.負前角磨粒磨削過程磨屑形成的有限元仿真分析[J]. 現代制造工程，2009(4)：36-41.

[6] 劉偉，鄧朝暉，萬林林，等.單顆金剛石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真與試驗研究[J]. 機械工程學報，2015，51(21)：191-198.

[7] 宿崇，許立，李明高，等.磨粒建模方法與切削過程仿真研究[J]. 航空學報，2012，33(11)：2130-2135.

[8] 楊闖，劉靜，馬亞芹，等.TC4鈦合金表面低壓滲氮層的顯微組織與耐磨性能[J]. 機械工程材料，2016，40(6)：98-101.

[9] Gavrus A，Caestecker P，Ragneau E，et al. Analysis of the Dynamic Shpb Test Using the Finite Element Simulation [J]. Journal de Physique IV, 2003, 110(1)：353-358.

[10] 李大虎，李蓓智.單顆磨粒磨削成屑機理的分子動力學模擬[J]. 組合機床與自動化加工技術，2013 (10)：14-19.