基于DEFORM-3D的固體潤滑涂層對磨削溫度場的影響仿真研究

王曉偉，蔡蘭蓉，霍文國

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

基于DEFORM-3D的固體潤滑涂層對磨削溫度場的影響仿真研究

王曉偉，蔡蘭蓉，霍文國

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

針對磨削過程中產(chǎn)生的大量磨削熱容易導(dǎo)致磨削灼傷的問題，進(jìn)行了固體潤滑涂層對磨削溫度場影響的仿真研究。基于DEFORM-3D有限元仿真軟件，模擬了電鍍CBN砂輪高速磨削TC4鈦合金的過程，比較了電鍍CBN砂輪在有無固體潤滑軟涂層的條件下高速磨削TC4鈦合金時(shí)溫度場的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，固體潤滑涂層應(yīng)用于高速磨削中，可有效降低磨削溫度，避免磨削灼傷。

DEFORM-3D；磨削；有限元仿真；固體潤滑涂層；溫度場

磨削在超硬材料的加工中占有非常重要的地位，尤其是在加工鈦合金時(shí)，更是一種必不可少的加工方式。由于在磨削鈦合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的磨削熱，因而傳統(tǒng)的磨削加工中會(huì)使用大量的磨削液來降低工件的磨削溫度并起到潤滑作用，但是磨削液的大量使用不僅增加了加工成本，而且會(huì)對操作工人的健康和環(huán)境帶來很大的危害。使用固體潤滑軟涂層來代替磨削液的綠色加工方式，既減少了磨削液對環(huán)境的污染及對操作工人健康的危害，又降低了加工成本[1-5]。

在實(shí)際加工過程中，測量工件的磨削溫度是比較繁瑣的，僅僅通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對磨削機(jī)理進(jìn)行深入透徹的研究也是困難的。通過有限元分析軟件對磨削過程進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化選擇工藝參數(shù)，是一種既方便迅速又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法[6]。

1 有限元的理論基礎(chǔ)

1.1J-C材料本構(gòu)模型的建立

工件材料選用TC4鈦合金，并選擇Johnson-Cook(J-C)材料本構(gòu)模型描述工件材料。J-C材料模型是一種剛塑性強(qiáng)化模型，利用變量乘積關(guān)系分別描述溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率的變化。具體的表述式如下：

(1)

1.2自適應(yīng)網(wǎng)格重新劃分

砂輪磨削的過程實(shí)際上可以看作是無數(shù)個(gè)單顆粒錐形刀具的切削過程，首先工件產(chǎn)生塑性變形，然后切屑與工件分離。隨著磨粒的切入，工件材料產(chǎn)生塑性變形，工件材料網(wǎng)格開始產(chǎn)生畸變，網(wǎng)格的畸變會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不收斂或計(jì)算結(jié)果精度的下降。為了避免網(wǎng)格的嚴(yán)重畸變，在仿真求解過程中采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)，當(dāng)工件材料網(wǎng)格產(chǎn)生畸變就進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)重新劃分，實(shí)現(xiàn)切屑與工件的分離。

2 單顆粒磨削有限元仿真模型的建立

2.1幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型

通過SolidWorks創(chuàng)建工件與磨粒的三維模型，工件尺寸為2mm×1mm×0.6mm,錐形磨粒高度為60μm,半頂錐角為65°，如圖1所示。把建好的仿真模型另存為.STL文件，導(dǎo)入DEFORM-3D前處理中，并開始自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。單顆粒磨削與普通平面磨削不同的是：單顆粒磨削沒有砂輪和工件的相對橫向或縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，單顆粒磨削仿真模型尺寸較小，單顆粒與工件表面的接觸時(shí)間非常短，所以模型簡化為只有磨粒的單向運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，Y向是單顆粒運(yùn)動(dòng)方向，根據(jù)單顆粒與工件的相對位置，Y向相當(dāng)于單顆粒的切向方向，X向相當(dāng)于單顆粒的法向方向，Z向相當(dāng)于砂輪的軸向方向。

2.2工件與磨粒材料的基本物理屬性

TC4鈦合金與CBN的基本物理屬性見表1。

2.3單顆磨粒切削仿真參數(shù)的設(shè)定

有限元仿真模型的建立即仿真對象的幾何形狀、材料屬性以及仿真對象內(nèi)部與周圍環(huán)境之間相互作用的有機(jī)結(jié)合。本文中仿真對象的幾何形狀即簡化的錐形砂輪磨粒；研究對象內(nèi)部與周圍環(huán)境之間的相互作用，即工件與磨粒之間以及工件、磨粒與周圍環(huán)境之間的熱量傳遞，磨粒與工件間的相互摩擦等。其中，熱量的轉(zhuǎn)化與傳遞通過在DEFORM-3D中設(shè)定一定的轉(zhuǎn)化系數(shù)與熱傳遞系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。模擬過程中，根據(jù)工件與磨粒的基本物理屬性(表1)以及單顆粒有限元仿真加工工藝參數(shù)(圖2)，在DEFORM-3D中設(shè)置：熱傳遞系數(shù)為11N/(s·mm·℃)，對流換熱系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),磨粒和工件的初始溫度為室溫20℃。石墨具有較好的潤滑性能和導(dǎo)熱性能，設(shè)置石墨為砂輪固體潤滑涂層材料。如圖3所示，根據(jù)石墨的基本物理屬性，在DEFORM-3D中設(shè)置砂輪固體潤滑涂層的參數(shù)：厚度為0.05mm，比熱為710J/(kg·K),熱導(dǎo)率為129W/(m·K)，熱輻射率為0.8。通過設(shè)置涂層參數(shù)，用單因素磨削方式，研究固體潤滑涂層的改變對單顆粒切削過程的影響。

圖2 單顆粒有限元仿真加工工藝參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

磨削過程的點(diǎn)熱源相當(dāng)于切削仿真過程中的單顆粒，點(diǎn)熱源在工件磨削區(qū)域的運(yùn)動(dòng)和傳遞形成了工件磨削溫度場。有無涂層的單顆粒磨削區(qū)域溫度變化圖如圖4、圖5所示，從圖中可以看出,有涂層砂輪的磨削溫度明顯低于無涂層砂輪的磨削溫度。在磨削弧區(qū)的方向上，隨著砂輪的旋轉(zhuǎn)，磨粒逐漸切入工件，溫度快速上升，有涂層砂輪的磨削溫度峰值達(dá)到960℃左右，而無涂層砂輪的磨削溫度峰值可達(dá)1 230℃左右。之后隨著磨粒的切出，切深逐漸減小，磨削區(qū)磨削溫度下降。圖4中點(diǎn)跟蹤溫度曲線圖顯示，無涂層砂輪溫度下降緩慢，這是因?yàn)闆]有磨削液的冷卻作用，磨削產(chǎn)生的磨削熱無法及時(shí)擴(kuò)散，工件溫度將暫時(shí)保持較高狀態(tài)。而圖5中點(diǎn)跟蹤溫度曲線圖顯示，有涂層砂輪隨著磨粒的切出，切深減小，溫度迅速下降，其速度的下降要比無涂層砂輪迅速得多。

4 結(jié)束語

本文通過DEFORM-3D有限元仿真軟件模擬

圖4 無涂層溫度變化圖 圖5 有涂層溫度變化圖

砂輪磨削鈦合金的過程，研究工件溫度場的變化情況。仿真結(jié)果表明，在磨削鈦合金過程中，有固體潤滑軟涂層砂輪磨削溫度要比無涂層砂輪磨削溫度低很多。固體潤滑軟涂層可以代替磨削液的使用，有效降低摩擦因數(shù),從而減少磨削區(qū)磨削熱的產(chǎn)生，解決了干磨削過程中磨削灼傷的問題，同時(shí)也避免了因使用磨削液而帶來的各種弊端。

[1] 陸名彰，熊萬里，黃紅斌，等.超高速磨削技術(shù)的發(fā)展及其主要相關(guān)技術(shù)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002,29(5)：44-48.

[2] 霍文國，徐九華，傅玉燦，等.頁輪干式磨削Ti6Al4V合金[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào):英文版，2010,27(2)：131-137.

[3] 霍文國.鈦合金干式磨拋加工技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[4] 李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：39-41.

[5] 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6] 鄭文君，夏偉，周照耀.有限元法在切削加工過程分析中的應(yīng)用[J].工具技術(shù)，2004，38(11)：20-22.

The simulation of solid lubricating coating on the grinding temperature field based on DEFORM-3D

WANG Xiaowei, CAI Lanrong, HUO Wenguo

(School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China)

A lot of grinding heat generated in the grinding process leads to easily the grinding burns. It simulates the grinding temperature field for the solid lubricant coating. Based on DEFORM-3D finite element simulation software, it realizes the simulation of grinding process electroplated CBN grinding wheel speed TC4 titanium alloy, compares electroplated CBN grinding wheel in the presence of solid lubricant coating of soft conditions at high speed grinding temperature field in TC4 titanium alloy variation. The results show that the solid lubricant coating is applied to the high-speed grinding, grinding can effectively reduce the temperature to avoid grinding burns.

DEFORM-3D; finite element simulation; solid lubricant coating; temperature

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.016

2015-03-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305301)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿計(jì)劃項(xiàng)目(14JCQNJC05100)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(黔科合J字[2014]2116號(hào))

王曉偉(1990—)，男，河北宣化人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫G色加工技術(shù)。

TG580.1

A

2095-509X(2015)04-0067-03