基于SPH方法的單顆粒磨削BK7光學(xué)玻璃仿真分析*

劉瑞虎 ，郭鵬舉 ，張 輝 ，劉永勝

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 前言

BK7光學(xué)玻璃由于具有高透過率、高耐磨性、高硬度和高強(qiáng)度等優(yōu)異的光學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、光電通信和激光技術(shù)等領(lǐng)域[1-3]。因此，要求制造加工后的BK7光學(xué)玻璃具有微米級的面型精度和表面粗糙度以及很少的亞表面微裂紋。然而BK7光學(xué)玻璃因?yàn)槠溆泊嘈?，加工表面易產(chǎn)生裂紋和凹陷，是典型的難加工材料[4]。相比于其他加工方式，磨削和研磨加工可使BK7玻璃的加工表面更加光滑，獲得更小的表面粗糙度[5]。

實(shí)際磨削加工過程極為復(fù)雜，為了更好地研究BK7玻璃在磨削過程中的材料去除行為，越來越多的研究人員將砂輪簡化為單顆粒磨粒，從而探究單顆粒磨削過程中的BK7玻璃材料去除行為[6]。近年來，SPH（光滑粒子流體動力學(xué)）方法被用于指導(dǎo)實(shí)際磨削過程[7-9]。通過仿真的方法能夠很好地再現(xiàn)磨削過程，因此本研究基于SPH方法，將金剛石磨粒簡化為錐形磨粒，探究不同磨削參數(shù)對BK7光學(xué)玻璃磨削過程中的材料去除行為和磨削力的影響規(guī)律。

1 單顆磨粒磨削建模

在有限元分析中需要建立統(tǒng)一的單位制，本次仿真所用的單位制是μm-μg-μs。本研究將金剛石磨粒理想化為圓錐形，并且所用的金剛石磨粒的頂錐角為90°，頂面圓弧半徑為2 μm。之后對磨粒模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度為0.3。

金剛石磨粒的有限元模型建立完以后，通過LS-PrePost軟件中的SPH Generation命令生成工件的SPH模型，工件模型的形狀尺寸為40 μm×20 μm×30 μm的長方體。生成的工件SPH模型粒子數(shù)為80×40×60，如圖1所示。由于金剛石磨粒在磨削過程中幾乎沒有變形，本仿真過程中把金剛石磨粒設(shè)為剛體，采用MAT_RIGID材料模型。金剛石的材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 金剛石磨粒材料參數(shù)

圖1 工件的SPH模型

由于BK7光學(xué)玻璃為硬脆性材料，工件選擇使用Johnson_Holmquist_Ceramics（JH-2）材料模型[10]，材料參數(shù)如表2所示。

表2 BK7光學(xué)玻璃的JH-2本構(gòu)模型參數(shù)

在磨削過程中，將速度載荷定義在金剛石磨粒上，對金剛石磨粒限制y方向和z方向上的移動自由度和所有轉(zhuǎn)動自由度，對于工件限制其全部約束。本研究采取的磨削參數(shù)如表3所示。

表3 仿真磨削參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 單顆粒磨削BK7光學(xué)玻璃過程分析

磨削速度為100 m/s時，金剛石磨粒在不同磨削深度下的磨削BK7光學(xué)玻璃狀態(tài)圖如圖2所示。當(dāng)磨削深度較低時，磨粒沿著工件表面運(yùn)動，只有少部分的粒子被切除出去，其中一部分粒子向四周飛濺，一部分粒子受到磨粒的擠壓向下方運(yùn)動，還有一部分粒子被磨粒推著向前運(yùn)動，這部分粒子也起到了磨削其余粒子的作用，并且在磨粒與工件表面接觸前端有輕微隆起，如圖2（a）所示。隨著磨削深度的增加，磨粒與工件接觸的面積就越大，同時磨粒參與磨削的接觸面積自下而上是不斷增大的，因此磨削過程的材料去除率就越大。從圖2（c）明顯可以看出，磨削過后的工件末端有崩碎現(xiàn)象發(fā)生，一方面是因?yàn)檩^大的磨削深度導(dǎo)致磨削過程中磨削力增大，易使得工件表面及亞表面產(chǎn)生裂紋和損傷；另一方面是隨著磨削深度的增大，被加工工件表面殘余應(yīng)力增大，這極大地影響了工件的加工質(zhì)量，導(dǎo)致末端發(fā)生崩碎。從圖2（a）~（c）可以看出，組成BK7光學(xué)玻璃的大多數(shù)SPH粒子向四周飛濺出去并且有大范圍粒子的整體崩碎，這表明BK7光學(xué)玻璃在此時以脆性斷裂方式去除為主。

圖2 磨削速度100 m/s時，不同磨削深度的磨削過程圖

2.2 磨削力分析

磨削速度為100 m/s時，不同磨削深度下的磨削力分析如圖3所示。隨著磨削深度的增加，切向力和法向力都逐漸增大，這是因?yàn)槟ハ魃疃仍黾?，有更多的粒子要被磨粒帶走，因此磨粒受力就越大。圖4展示了磨削深度為5 μm時，不同磨削速度下的磨削力分析。隨著磨削速度的增加，磨削力先增大后減小，這是因?yàn)楫?dāng)磨削速度較低時，隨著磨削速度增大，磨粒受到粒子沖擊更大，并且低速時容易在磨粒與工件接觸前端形成隆起，阻礙磨粒運(yùn)動，導(dǎo)致磨削力增大。當(dāng)磨削速度增大到超過40 m/s時，隨著磨削速度的增加，磨削力迅速下降，這是因?yàn)樵诟咚倌ハ鬟^程中，磨粒瞬間帶走粒子，造成材料去除，并不會在工件前端形成隆起。當(dāng)速度增大到一定程度時，磨削速度的增大對磨削力的影響就不太明顯。

圖3 不同磨削深度下磨粒受力圖

圖4 不同磨削速度下磨粒受力圖

3 結(jié)論

本研究基于SPH方法探究了不同磨削參數(shù)下單顆粒磨削對BK7光學(xué)玻璃去除機(jī)理的影響規(guī)律：

1）通過模擬仿真得出組成BK7光學(xué)玻璃的大多數(shù)SPH粒子向四周飛濺出去并且有大范圍粒子的整體崩碎，這表明此次磨削仿真過程中BK7光學(xué)玻璃以脆性方式去除為主。

2）隨著磨削深度的增加，磨粒所受磨削力不斷增大，同時工件殘余應(yīng)力也不斷增大，影響工件加工質(zhì)量。隨著磨削速度的增大，磨削力先增大后減小，當(dāng)磨削速度達(dá)到一定程度，磨削力受其影響甚微。

3）實(shí)際磨削加工過程中應(yīng)選擇合理的磨削參數(shù)，以提高工件加工質(zhì)量和加工效率，延長刀具使用壽命。