防彈鋼P(yáng)RO500磨削過程有限元仿真與試驗(yàn)*

□ 范君艷 □ 田西榮 □ 任家隆

1.上海師范大學(xué)天華學(xué)院 上海 201815

2.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 試驗(yàn)背景

隨著材料潔凈化、微合金和控軋控冷等先進(jìn)冶金技術(shù)的推廣和應(yīng)用，抗拉強(qiáng)度σb＞1 500 MPa、屈服極限σs＞1 300 MPa的超高強(qiáng)度鋼，因抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、工藝性能良好、成本較低而得到了廣泛應(yīng)用，特別是在航空航天、軍事等具有特殊要求的領(lǐng)域，應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大，具有良好的發(fā)展前景。

防彈鋼P(yáng)RO500作為低合金超高強(qiáng)度鋼，合金成分精心設(shè)計(jì)，原材料精制，具有可焊接、可冷彎、自控噴霧淬火等優(yōu)良特點(diǎn)，在軍事裝備中得到了廣泛應(yīng)用，如制造防彈門、防彈頭盔、防彈衣、防暴車、防彈運(yùn)鈔車、裝甲運(yùn)輸車等。防彈鋼P(yáng)RO500加工時(shí)，難以采用普通的機(jī)械切削加工，往往要采用磨削加工。

防彈鋼P(yáng)RO500作為超高強(qiáng)度鋼，在具有優(yōu)良機(jī)械性能的同時(shí)，也給磨削加工帶來了一定的困難。

（1）磨削力大。超高的抗拉強(qiáng)度和高硬度，導(dǎo)致在磨削時(shí)滑擦、耕犁和變形抗力大，因而磨削力很大，在相同的條件下單位寬度磨削力是磨削45號(hào)鋼的1.5倍左右。

（2）磨削溫度高，易燒傷。由于超高強(qiáng)度鋼的磨削力比普通鋼大很多，致使磨削區(qū)溫度很高，而超高強(qiáng)度鋼中的微合金元素鎳、鉬、硅使鋼的導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，約為45號(hào)鋼的一半，在磨削區(qū)產(chǎn)生的大量磨削熱不易發(fā)散，聚集在磨削區(qū)，可使工件表面產(chǎn)生極高的瞬時(shí)溫度，進(jìn)而導(dǎo)致磨削燒傷。

（3）磨削表面加工硬化。對(duì)于超高強(qiáng)度鋼而言，塑性大，韌性高，強(qiáng)度也高，磨削時(shí)磨削層變形劇烈，晶格畸變嚴(yán)重，應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃?，引起加工硬化?/p>

因此，必須對(duì)防彈鋼P(yáng)RO500磨削區(qū)的冷卻方式及磨削參數(shù)的選擇進(jìn)行研究，以降低磨削溫度，提高工件表面質(zhì)量[1-2]。

試驗(yàn)采用防彈鋼P(yáng)RO500作為試件材料，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)試件進(jìn)行有限元仿真分析，獲得在水蒸氣冷卻方式下不同磨削參數(shù)時(shí)磨削溫度場(chǎng)的分布。同時(shí)采用頂式熱電偶法測(cè)量在不同冷卻條件下不同磨削參數(shù)所對(duì)應(yīng)的磨削溫度，取水蒸氣冷卻條件下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，確認(rèn)仿真結(jié)果能否比較真實(shí)地反映實(shí)際磨削加工時(shí)的溫度場(chǎng)情況[3]。

2 磨削參數(shù)與邊界條件

難加工材料防彈鋼P(yáng)RO500的磨削參數(shù)見表1，邊界條件見表2，砂輪材料為氧化鋁（WA46LY35），結(jié)合劑為陶瓷。

表1 磨削參數(shù)

表2 邊界條件

3 磨削溫度場(chǎng)有限元仿真

ANSYS軟件在熱分析方面具有強(qiáng)大功能，其后處理模塊能將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線等方式呈現(xiàn)。筆者的仿真和研究均以ANSYS軟件為工具進(jìn)行。

3.1 建模

設(shè)置工件模型尺寸為20 mm×10 mm×5 mm，因分析時(shí)需要施加不同的熱載荷在同一表面，故將熱流密度施加于實(shí)體表面，熱對(duì)流邊界則施加并覆蓋于實(shí)體表面上的熱表面效應(yīng)單元。熱分析試驗(yàn)采用三維熱表面效應(yīng)單元SURF152[4]。

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)求解的正確性、精度和計(jì)算速度，有限元模型作為原結(jié)構(gòu)的離散化模型采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。單元之間用節(jié)點(diǎn)連接，相鄰單元用接觸面上的節(jié)點(diǎn)無間隙連接為一個(gè)整體，具體模型如圖1所示[5-6]。

▲圖1 有限元模型

3.3 邊界條件及移動(dòng)熱源處理

有限元求解中，需附加一定的初始條件和邊界條件，才能使每個(gè)節(jié)點(diǎn)得到熱平衡方程的唯一解。磨削過程中，忽略空氣的對(duì)流傳熱，只考慮水蒸氣對(duì)磨削溫度場(chǎng)的對(duì)流傳熱，設(shè)被磨削工件的初始溫度為20℃。建立既能用于數(shù)學(xué)計(jì)算又能模擬磨削實(shí)況的模型，分析磨削區(qū)的溫度分布情況，并討論相關(guān)磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度場(chǎng)分布的影響[7]。

磨削時(shí)由于磨削深度較淺，接觸弧長(zhǎng)也較短，因此將磨削熱問題視為帶狀熱源在半無限體表面上的移動(dòng)，筆者采用矩形移動(dòng)熱源來模擬磨削溫度場(chǎng)[8]。

ANSYS軟件加載移動(dòng)熱源時(shí)需使過程離散化，在極短時(shí)間內(nèi)在某一磨削區(qū)加載固定熱源，下一時(shí)間段使之迅速移動(dòng)到另一區(qū)域，并將上一次所得結(jié)果作為下一次的初始條件。

4 仿真結(jié)果與分析

在防彈鋼P(yáng)RO500仿真平面磨削過程中采用水蒸氣冷卻方式，并以此對(duì)模型添加密度、比熱容、熱傳導(dǎo)率等有關(guān)參數(shù)。經(jīng)計(jì)算得到磨削溫度場(chǎng)產(chǎn)生的變化，圖2所示為磨削過程中第15載荷步顯示的溫度分布，該載荷步最高溫度為291.548℃。

▲圖2 第15載荷步溫度場(chǎng)分布

磨削深度為0.01 mm，砂輪線速度為26.38 m/s，進(jìn)給速度分別為 1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min時(shí)磨削溫度的變化情況如圖3所示。在其它條件不變的情況下，進(jìn)給速度加快，意味著磨削效率提高，投入到磨削的面積增大，單位磨粒承受的工作量增加，砂輪磨損增大，耗功增大，因而工件的磨削溫度升高。與此同時(shí)，進(jìn)給速度加快，使單位時(shí)間被磨削的面積增大，其磨削力并沒有突然增大，而只是承受力的頻次提高。此外，進(jìn)給速度加快，工件散熱加快，工件某一表面被磨削的時(shí)間縮短，因此，總體上工件的磨削溫度以上升為主，散熱條件的改善和磨削強(qiáng)度的穩(wěn)定也決定了隨著進(jìn)給速度的加快，磨削溫度上升，但上升幅度不會(huì)和進(jìn)給速度變化成比例。

砂輪線速度為26.38 m/s，工件進(jìn)給速度為1 m/min，磨削深度分別為 0.01 mm、0.015 mm、0.02 mm、0.025 mm、0.03 mm時(shí)磨削溫度的變化情況如圖4所示。磨削深度增大，工件磨削溫度上升較高，這是因?yàn)槠渌鼦l件不變時(shí)，磨削深度增大，單位磨粒去除材料的負(fù)擔(dān)瞬時(shí)增大，能量消耗增大。磨削耗能增大由磨削滑擦、刻劃獨(dú)立承擔(dān)，能量基本都轉(zhuǎn)換成摩擦熱，因而隨著磨削深度增大，磨削溫度基本成比例上升[9-10]。

5 磨削試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的可靠性，在M7132H平面磨床上對(duì)難加工材料防彈鋼P(yáng)RO500進(jìn)行了平面磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用具有夾式安裝結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量磨削區(qū)表面溫度，采用水蒸氣、低溫氣動(dòng)噴霧及常規(guī)乳化液三種冷卻方式，基本參數(shù)如下：砂輪線速度為26.38 m/s，工件進(jìn)給速度為1 m/min，磨削深度分別為 0.01 mm、0.15 mm、0.02 mm、0.025 mm、0.03 mm，水蒸氣噴嘴出口溫度為90℃，壓力為0.3 MPa，空氣霧化噴嘴直徑為3 mm，低溫氣動(dòng)噴霧用自來水與冷風(fēng)在噴嘴口混合形成霧狀射流物對(duì)試件磨削表面進(jìn)行射流冷卻，冷風(fēng)噴嘴出口溫度為-15℃，壓力為0.3 MPa，自來水流量為60 mL/min，常規(guī)乳化液溫度為20℃，體積分?jǐn)?shù)為5%，流量為3.6 L/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，磨削深度從0.01 mm增大到0.02 mm，工件的磨削溫度增幅較小，0.02 mm之后工件磨削溫度增幅較大。從總體的冷卻效果比較，隨著磨削深度的增大，采用水蒸氣冷卻具有一定的優(yōu)勢(shì)，低溫氣動(dòng)噴霧冷卻次之，常規(guī)乳化液冷卻最差。水蒸氣冷卻時(shí)磨削溫度始終在500℃以下，可以有效避免磨削燒傷。

▲圖3 不同工件進(jìn)給速度時(shí)磨削溫度變化情況

▲圖4 不同磨削深度時(shí)磨削溫度變化情況

6 有限元仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

取水蒸氣冷卻方式下防彈鋼P(yáng)RO500磨削溫度的有限元仿真效果與試驗(yàn)結(jié)果作比較。

6.1 工件進(jìn)給速度的影響

基礎(chǔ)工況如下：水蒸氣冷卻，砂輪線速度為26.38 m/s，磨削深度為 0.01 mm，工件進(jìn)給速度分別為1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min。

如圖6所示，在不同進(jìn)給速度下，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相差很小，在進(jìn)給速度為1 m/min處相差僅9℃，在進(jìn)給速度為3 m/min處最大誤差為6.2%，均在允許的誤差范圍內(nèi)。

6.2 磨削深度的影響

基礎(chǔ)工況如下：水蒸氣冷卻，砂輪線速度為26.38 m/s，工件進(jìn)給速度為1 m/min，磨削深度分別為0.01 mm、0.015 mm、0.02 mm、0.025 mm、0.03 mm。

如圖7所示，在不同磨削深度下，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，仿真數(shù)據(jù)略高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最大誤差小于10%，在允許的誤差范圍內(nèi)[11-12]。

7 結(jié)論

筆者選用難加工材料防彈鋼P(yáng)RO500，在水蒸氣冷卻、不同磨削參數(shù)條件下進(jìn)行磨削溫度有限元仿真與試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)論如下：

▲圖5 不同冷卻條件和磨削深度時(shí)磨削溫度變化情況

▲圖6 工件進(jìn)給速度對(duì)磨削溫度影響曲線

▲圖7 磨削深度對(duì)磨削溫度影響曲線

（1）單一改變磨削深度或工件進(jìn)給速度，水蒸氣冷卻和低溫氣動(dòng)噴霧冷卻效果比常規(guī)乳化液冷卻效果好，且水蒸氣冷卻相比低溫氣動(dòng)噴霧冷卻效果更優(yōu)；

（2）由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知，在對(duì)超高強(qiáng)度的難加工材料進(jìn)行磨削加工時(shí)，選擇合適有效的冷卻方式，可以有效降低磨削區(qū)溫度，避免燒傷；

（3）采用水蒸氣冷卻，合理選擇磨削參數(shù)，選擇較快的工件進(jìn)給速度、較小的磨削深度，可以有效控制磨削區(qū)溫度，避免燒傷，提高加工表面質(zhì)量。

筆者通過試驗(yàn)證明有限元仿真分析可以為合理選擇磨削過程中的冷卻方式、磨削參數(shù)，以及避免工件磨削燒傷提供技術(shù)支持。