基于ANSYS Workbench的葉片砂帶磨削用量分析與研究

李娜娜，李欽

(西安交通大學城市學院，陜西 西安 710018)

0 引言

發(fā)動機葉片表面質(zhì)量直接影響發(fā)動機的工作性能。由于葉片材料含有高溫合金元素，工藝性較差，且其型面是復雜空間曲面，因此加工難度大，通常采用精鑄或精鍛毛坯，再進行機械加工和光精加工。而在光精加工過程中，為提高表面質(zhì)量，采用磨削拋光。砂帶磨削拋光效率較高，選作為本次光精加工的磨削工具，再借助工業(yè)機器人夾裝葉片，達到高效加工目的。而在磨削拋光加工中，如何設置合理的磨削用量，達到葉片表面質(zhì)量要求，需要依靠大量的試驗驗證，因此要耗費大量材料，影響生產(chǎn)效率[1-4]。

本文采用ANSYS Workbench軟件從微觀角度研究不同磨削用量對葉片磨削拋光表面質(zhì)量的影響。在仿真分析中針對葉片磨削的磨粒型號、磨削深度以及磨削速度控制等，對磨削過程進行仿真計算。通過對仿真結(jié)果的葉片表面粗糙度的計算以及工件在磨削過程中所受應力的大小，對比各個因素對磨削質(zhì)量的影響程度，最終確定在葉片磨削過程中各磨削參數(shù)的最優(yōu)選擇，為生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

1 葉片磨削拋光力學模型建立

1.1 模型建立

本次研究采用精鍛制造的鈦合金TC4材料的葉片毛坯模型。砂帶磨削拋光過程是一個復合磨削的過程，它由多顆磨粒共同磨削。從微觀上講，砂帶表面的磨粒是一個個切削刀具，由于磨粒的特性，使得磨削時的磨削深度極小。以單顆磨粒為研究對象，將磨削模型簡化為圖1所示的單顆粒磨削模型[5-6]。

圖1 單顆磨粒磨削示意圖

1.2 劃分網(wǎng)格及邊界條件設置

在ANSYS Workbench中定義材料屬性。在取模型時，盡量控制兩種粒度的磨粒底面面積近似相等，從而保證磨削面積相等。因考慮磨削深度較小，網(wǎng)格劃分時將上下兩部分分別進行劃分，如圖2所示。根據(jù)磨削拋光過程中的砂帶與工件運動情況，忽略工件進給運動，對工件底面及端面進行固定約束，對磨粒進行速度、位移約束[7-8]。

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

2 葉片磨削拋光仿真結(jié)果及分析

為更好分析各磨削參數(shù)對工件磨削性能的影響，從砂帶磨粒粒度、磨削深度、砂帶線速度3個方面對工件磨削拋光之后的表面粗糙度以及在磨削初始時磨粒對工件邊線的應力，對磨削性能進行對比分析。

2.1 砂帶粒度影響分析

利用有限元模型進行前處理后，分別對鋯剛玉系列磨料16#和46#兩種模型進行分析。因ANSYS不能直接讀取表面粗糙度的值，需按照公式進行計算。取工件長2mm，將工件用2個平面分割為3個長度相等的部分，讀取磨削之后平面關于y軸變形量的云圖，利用探針工具讀取y方向數(shù)據(jù)(各約90個點)，進行磨削之后的表面粗糙度估算，再求平均值。同時分析16#和46#兩種模型狀態(tài)下工件表面所受應力分布，如圖3所示。用相同方法對46#模型進行分析，兩種模型表面粗糙度估算結(jié)果及所承受的最大應力如表1所示。通過對比分析，在相同工況下，砂帶粒度越細，表面質(zhì)量越好；但同時會使工件承受應力增加。通過相關磨粒仿真分析，對于葉片砂帶磨削，選擇46#磨削質(zhì)量會更優(yōu)。

圖3 磨粒模型工件接觸區(qū)應力圖

表1 磨粒表面粗糙度及最大應力的計算結(jié)果

2.2 磨削深度影響分析

分析磨削深度影響時，將工件用4個平面等分為5個部分，再對這4個平面進行表面粗糙度的計算并求其平均值。由于模型中只建立了單磨粒，因此在取點時對點的個數(shù)有所減少，大約45個。且探針取點的長度范圍近似為46#磨粒的邊長。對各個截面的結(jié)果進行表面粗糙度的計算，計算結(jié)果見表2。同時，分析每種磨削深度下，工件所受應力的變化，如圖4所示。不同磨削深度所受最大應力見表2。

表2 表面粗糙度及最大應力的計算結(jié)果

圖4 磨削深度模型路徑的應力圖

通過對比可知，增大磨削深度，工件表面粗糙度數(shù)值明顯增大，表面質(zhì)量變差，且隨著磨削深度的增加，工件與磨粒接觸邊的應力也隨之增加。適當降低磨削深度，增加磨削次數(shù)，可提高磨削表面質(zhì)量，且降低工件所受應力。

2.3 磨削速度影響分析

磨削速度的模型同磨削深度的模型類似，對單顆粒模型，同樣是將4個等分工件的平面粗糙度進行平均求得。對不同磨削速度下探針取點的數(shù)值進行表面粗糙度計算，結(jié)果見表3。對不同磨削線速度關于路徑的應力云圖，其單個條件下的變化與圖4類似，將其最大應力變化統(tǒng)計在表3中。由表中數(shù)據(jù)可知，在磨削線速度分別在8 m/s、14 m/s和20 m/s時，工件磨削之后的表面粗糙度分別為1.364 4 μm、1.200 5 μm和1.687 8 μm；對應的工件與磨粒的接觸邊長的最大應力分別為4 615MPa、3 323.6MPa以及4 529.6MPa。因此，在相同的工況下，要使工件磨削之后的表面粗糙度盡可能得小，應根據(jù)工件的材料和工況，選擇合適的磨削線速度，速度過大和過小都會使工件的磨削質(zhì)量減低，增大磨削之后的表面粗糙度。速度太大或者太小都會導致工件受到的應力增加。這是因為磨削速度提高，使得工件殘余拉應力增大。

表3 磨削速度模型表面粗糙度的計算結(jié)果

3 結(jié)語

本文采用ANSYS Workbench對葉片砂帶磨削過程進行分析，得出磨削過程中磨料粒度、磨削深度、磨削速度對工件表面粗糙度的影響及應力分布。磨料粒度越小，表面質(zhì)量越高。磨削深度對表面粗糙度影響較顯著，當磨削深度較大時，表面質(zhì)量變差，且零件表面的塑性變形程度增大。磨削速度過大或者過小，都會降低表面粗糙度，且磨削速度高會使殘余拉應力增大。