微結(jié)構(gòu)磨削加工分析與數(shù)值模擬

楊曉輝

摘? 要：微結(jié)構(gòu)工件在磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將導(dǎo)致工件變形，表面機(jī)理受到破壞，嚴(yán)重影響了工件的工作性能和加工精度。該文采用實(shí)驗(yàn)與回歸法相結(jié)合推導(dǎo)了超硬材料SIC的磨削力公式，提出了V形槽結(jié)構(gòu)磨削加工有限元建模方法。總結(jié)出V形槽結(jié)構(gòu)磨削加工殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，以及磨削用量參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力大小的影響，為磨削過(guò)程中參數(shù)選取、殘余應(yīng)力分析提供參考。

關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)? 磨削加工? 內(nèi)應(yīng)力? 有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TG580 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（b）-0047-02

微結(jié)構(gòu)工件常用于對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合，產(chǎn)品的性能一般取決于微結(jié)構(gòu)表面模具的質(zhì)量。從考慮模具零件的加工精度和工作壽命在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的一致性出發(fā)，當(dāng)前利用微結(jié)構(gòu)加工模具所用的材料正在由傳統(tǒng)的合金模具鋼向超硬材料方向發(fā)展。該超硬材料具有磨損性高、耐熱性高、硬度高的特點(diǎn)。加工方法超硬材料微結(jié)構(gòu)最有效的方法是采用超精密磨削，此加工方法可以使工件獲得非常好的尺寸精度，但常常由于加工中零件被加工表面會(huì)產(chǎn)生一定的殘余內(nèi)應(yīng)力，在完整性方面使零件加工表面受到不良影響，易產(chǎn)生變形和裂紋等結(jié)構(gòu)上的缺陷，嚴(yán)重影響模具的使用效果。這些裂紋對(duì)模具的抗腐蝕性、疲勞強(qiáng)度、耐磨度等都有很多不良作用，進(jìn)而降低了微結(jié)構(gòu)工件的加工精度和使用壽命。如何有效地減小和預(yù)防磨削加工中微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，降低工件表層損傷程度是我們所要研究的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)磨削加工過(guò)程進(jìn)行分析，根據(jù)超硬材料的性能特點(diǎn)和加工特點(diǎn)，建立了以SIC為材料的V形槽工件的有限元模型。在切削用量不同、磨削力不同和加工溫度不同等磨削條件下進(jìn)行仿真磨削加工分析。在定性分析的基礎(chǔ)上，得到不同條件下的工件中殘余內(nèi)應(yīng)力大小及其分布規(guī)律，進(jìn)而得出模擬實(shí)際加工過(guò)程中工件所受內(nèi)應(yīng)力大小，能形象直觀地展示出零件表面結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)提出相應(yīng)的預(yù)防策略和采取合理的方法，從而提高模具表面質(zhì)量，提高零件疲勞強(qiáng)度和使用壽命，提高模具工作穩(wěn)定性和使用壽命。此項(xiàng)研究具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1? V型槽工件磨削加工中的磨削力大小分析

在實(shí)際加工過(guò)程中，影響工件變形的主要因素有磨削力大小和加工溫度高低。在磨削力和加工溫度作用下，工件會(huì)產(chǎn)生一定的殘余內(nèi)應(yīng)力。磨削力越大，加工溫度越高，越容易產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。磨削力主要性能的衡量指標(biāo)有磨削用量、工作臺(tái)進(jìn)給速度以及砂輪線速度，這些性能指標(biāo)影響了磨削力數(shù)學(xué)模型的建立以及后續(xù)研究中對(duì)對(duì)殘余應(yīng)力的仿真加工工作。該文在經(jīng)驗(yàn)公式法分析的基礎(chǔ)上，并采用實(shí)驗(yàn)處理，在兩者相結(jié)合的基礎(chǔ)上對(duì)磨削力進(jìn)行建模，利用回歸法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終推導(dǎo)出不同條件下的磨削力經(jīng)驗(yàn)公式。

2? 仿真分析

2.1 三維模型

建立微結(jié)構(gòu)工件的三維模型，模型尺寸為，V形槽深度為1mm，V形槽的個(gè)數(shù)為5個(gè)。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為了提高計(jì)算速度和精度，便于仿真分析，將三維模型進(jìn)行合理分區(qū)，距離源加載區(qū)域較遠(yuǎn)的網(wǎng)格劃分稀疏，距離加工表面較近的區(qū)域網(wǎng)格劃分細(xì)密。

2.3 仿真分析

為了便于分析，仿真過(guò)程中作如下假設(shè)：

（1）磨削在工件的塑性區(qū)域進(jìn)行，按照彈/塑性模型進(jìn)行分析。

（2）完全忽略V槽形狀不同和尺寸大小對(duì)磨削力的影響。

（3）忽略了砂輪的磨損程度對(duì)磨削質(zhì)量的影響。

實(shí)驗(yàn)條件為：選取直徑為200mm的砂輪，磨削深度選用0.01mm，工件進(jìn)給速度選用0.2mm/min，砂輪線速度選用1500m/min，V形槽兩邊夾角選擇120℃。在此條件下，利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)SIC材料的V形槽微結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工殘余內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行比較分析，得到其等效應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。

在系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上可以看出，殘余內(nèi)應(yīng)力主要分布在砂輪切出工件時(shí)工件的底部邊緣、V形槽尖端、V形槽底部以及V形槽下面。應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在砂輪切出工件時(shí)工件底部邊緣處。伴隨已加工V形槽數(shù)量的不斷增加，工件中殘余內(nèi)應(yīng)力不斷增大，并產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。殘余應(yīng)力的大小及分布將引起材料破損與變形，直接影響著工件的表面精度和疲勞強(qiáng)度，因此需要對(duì)應(yīng)力的影響因素進(jìn)行分析。

2.4 磨削用量對(duì)殘余應(yīng)力作用

在機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給速度不變和忽略砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響的條件下，重點(diǎn)研究加工中磨削深度大小對(duì)工件殘余內(nèi)應(yīng)力的影響大小。在砂輪轉(zhuǎn)速不變和工作臺(tái)的進(jìn)給速度不變的條件下，分別針對(duì)磨削深度為0.01mm、0.02mm和0.03mm三個(gè)不同的切削深度進(jìn)行仿真加工，為進(jìn)一步闡明磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，把以上仿真結(jié)果在不同進(jìn)給速度下進(jìn)行對(duì)比。

在系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上可以得出，在采用不同加工深度對(duì)不同尺寸的V形槽進(jìn)行磨削加工時(shí)，磨削深度越大，工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小越大。這說(shuō)明隨著磨削深度的不斷增加，所用磨削力也不斷增加，從而導(dǎo)致工件加工殘余內(nèi)應(yīng)力的增加。同時(shí)，隨著V形槽尺寸的不斷加大，將使加工殘余內(nèi)應(yīng)力易于釋放，也將引起工件表面破損和產(chǎn)生一定的變形。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文以V形槽結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，探索了微結(jié)構(gòu)工件在磨削加工過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。通過(guò)有限元分析法總結(jié)了V形槽磨削加工殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，以及磨削用量各參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。應(yīng)用研究結(jié)論可以有效減少磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，提高工件的加工精度和使用壽命。

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