基于熱力耦合的超聲振動(dòng)珩磨研究*

鄭華林，張　偉，王　良

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都　610500)

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基于熱力耦合的超聲振動(dòng)珩磨研究*

鄭華林，張偉，王良

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500)

摘要：超聲振動(dòng)珩磨工藝參數(shù)對(duì)加工精度和表面質(zhì)量有重要影響，要獲得合理的參數(shù)需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，文章采用基于熱力耦合的三維有限元方法對(duì)超聲振動(dòng)珩磨研究。建立超聲珩磨熱力耦合有限元模型，模擬普通磨削和超聲振動(dòng)磨削過(guò)程，分析振動(dòng)時(shí)的磨屑形態(tài)及形成原因，工藝參數(shù)對(duì)磨削熱和磨削力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，超聲振動(dòng)磨削的磨屑呈碎片狀，磨削溫度降低25%，磨削力降低30%。減小磨削速度或提高振動(dòng)頻率能進(jìn)一步降低磨削溫度；增大振幅或降低磨削速度能降低切向力, 提高振動(dòng)頻率或降低磨削速度能夠減小軸向力。

關(guān)鍵詞：工藝參數(shù);有限元；超聲振動(dòng)珩磨；磨削力

0引言

超聲振動(dòng)珩磨是在普通油石上施加超聲頻振動(dòng)而進(jìn)行加工的方法。有研究表明超聲振動(dòng)珩磨具有磨削力小，磨削溫度低，油石不易堵塞，加工效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，活塞桿等零件時(shí)表面質(zhì)量及耐磨性顯著提高。油石是由無(wú)數(shù)的磨粒通過(guò)結(jié)合劑粘接起來(lái)，砂輪的磨削過(guò)程也可以看成是每一個(gè)磨粒單獨(dú)切削的總和[2]。因此，研究單顆磨粒的磨削過(guò)程是磨削研究的重要手段。Matsuo等[3]研究了單顆磨粒對(duì)磨削力，磨削材料去除量，工件材料的塑性隆起等現(xiàn)象。Ohbuchi等[4]研究了磨削速度及負(fù)前角對(duì)單顆磨粒磨削力和切屑形態(tài)的影響。呂東喜等[5]進(jìn)行了單顆磨粒旋轉(zhuǎn)超聲沖擊對(duì)材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的研究，證明沖擊加速了裂紋的擴(kuò)展。張洪麗等[6]通過(guò)切向超聲振動(dòng)單顆磨粒實(shí)驗(yàn)證明了超聲振動(dòng)能降低磨削力。王靜等[7]研究了超聲振動(dòng)單顆磨粒切削機(jī)理及切削力模型。Jianguo C等[8]進(jìn)行了單顆金剛石磨粒超聲振動(dòng)劃擦實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲振動(dòng)能提高加工效率。宿崇等[9-10]通過(guò)有限元及實(shí)驗(yàn)研究了單顆CBN磨粒磨削成屑機(jī)理。以上研究一方面說(shuō)明通過(guò)單顆磨粒研究超聲振動(dòng)珩磨特性的可行性，同時(shí)也反映出現(xiàn)有研究的局限性。大多數(shù)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲振動(dòng)加工的優(yōu)點(diǎn)，而加工過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)珩磨力、珩磨熱影響規(guī)律的研究卻鮮有報(bào)道，對(duì)超聲振動(dòng)珩磨的推廣產(chǎn)生較大影響。磨削是三維狀態(tài)下復(fù)雜的熱力耦合過(guò)程，磨削產(chǎn)生的熱會(huì)影響材料的力學(xué)性能，同時(shí)材料的流動(dòng)又影響溫度分布。很多研究只停留在二維模擬，不能反映出適用于外圓的軸向超聲振動(dòng)珩磨機(jī)理，因此，非常有必要建立三維有限元模型研究單顆磨粒超聲振動(dòng)珩磨過(guò)程。

1超聲振動(dòng)珩磨有限元建模

1.1材料本構(gòu)關(guān)系

Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系模型是一種經(jīng)驗(yàn)型模型，用于解決材料的屈服應(yīng)力在溫度、應(yīng)變率及應(yīng)變等因素影響下的動(dòng)態(tài)行為，同時(shí)模型的形式簡(jiǎn)單，物理意義明確，參數(shù)較少。因此在研究中采用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行磨削仿真。其表達(dá)式為：

(1)

1.2失效準(zhǔn)則

有限元模型需要定義材料的失效準(zhǔn)則來(lái)真實(shí)地反映材料去除過(guò)程。幾何準(zhǔn)則是通過(guò)材料幾何尺寸的變化來(lái)判斷材料是否分離，物理準(zhǔn)則是基于等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則、應(yīng)變能量密度準(zhǔn)則、斷裂應(yīng)力準(zhǔn)則等物理量判斷材料是否分離[11]。要研究超聲振動(dòng)珩磨的磨削特點(diǎn)，須同時(shí)定義Johnson-Cook損傷準(zhǔn)則和剪切損傷準(zhǔn)則才能準(zhǔn)確模擬材料的去除過(guò)程。Johnson-Cook剪切損傷是基于單元積分點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變值，是一種物理失效準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變值ω>1時(shí)單元失效，材料去除，其公式為：

(2)

(3)

1.3磨削摩擦模型

在金屬磨削過(guò)程中，磨粒的表面與工件接觸的狀態(tài)十分復(fù)雜，建立正確的接觸摩擦模型很重要。本文采用的磨粒與磨屑的摩擦應(yīng)力表達(dá)式為[12]：

(4)

(5)

相比于傳統(tǒng)珩磨，超聲振動(dòng)時(shí)磨粒與工件的接觸是斷續(xù)的，使得其摩擦系數(shù)要小很多，只有傳統(tǒng)切削的1/10左右。

2)在△ABC和△A1B1C1中，∠B=∠B1,∠C=∠C1，你能適當(dāng)添加一個(gè)條件，使△ABC≌△A1B1C1嗎？你有幾種不同的添加方式？說(shuō)明理由.

1.4超聲振動(dòng)位移方程

超聲振動(dòng)珩磨切削時(shí)磨粒沿磨削方向進(jìn)給同時(shí)在垂直磨削方向高頻振動(dòng)，單顆磨粒超聲振動(dòng)切削過(guò)程如圖1所示。

圖1　磨粒超聲振動(dòng)珩磨示意圖

超聲振動(dòng)控制方程采用傅里葉級(jí)數(shù)表示，其表達(dá)式為：

(t≥t0)

(6)

式中：t0為初始時(shí)刻；A0為初始振幅；ω為振動(dòng)圓頻率；N,An,Bn,n為相關(guān)常數(shù)。

1.5有限元模型

珩磨可以看作是油石上無(wú)數(shù)的單顆磨粒與工件切削而將材料去除的過(guò)程[13]。油石是由很多細(xì)小磨粒粘結(jié)而成，通過(guò)文獻(xiàn)[9]中CBN磨料電鏡照片發(fā)現(xiàn)磨粒的形狀基本都是多面體，磨粒前端大多類似棱錐體，因此本文將磨粒的形狀簡(jiǎn)化為如圖2所示的帶平頂?shù)睦忮F體?？紤]到CBN磨粒的硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于工件材料，因此將磨粒視為剛體。

圖2　CBN磨料SEM照片[9]

在超聲振動(dòng)珩磨時(shí)，油石作用于旋轉(zhuǎn)的工件，同時(shí)在軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本文將磨削外圓的過(guò)程簡(jiǎn)化為磨粒在平面上的磨削過(guò)程。如圖3，工件切向簡(jiǎn)化為X軸，工件軸向簡(jiǎn)化為Y軸，定義磨粒沿X軸移動(dòng)，沿Y方向振動(dòng)，將工件的底部及兩個(gè)端面施加位移約束?？紤]到磨削時(shí)摩擦和塑性變形產(chǎn)生的熱對(duì)材料性能參數(shù)的影響，工件和刀具采用熱力耦合單元。

圖3　有限元模型

1.6仿真關(guān)鍵參數(shù)

表1　工件與磨粒材料物理參數(shù)

表2　工件材料的Johnson-Cook模型參數(shù)[14]

2有限元仿真結(jié)果與分析

2.1單個(gè)振動(dòng)周期磨削過(guò)程分析

圖4為提取的30kHz時(shí)0.5ms內(nèi)的磨粒超聲振動(dòng)位移曲線，可以看出振動(dòng)參數(shù)達(dá)到仿真要求。

圖4　30kHz時(shí)磨粒振動(dòng)位移曲線

2.2超聲振動(dòng)磨屑形態(tài)分析

磨屑的形態(tài)一般分為三種，帶狀切屑，碎片狀切屑及熔融的球狀切屑。由圖5看出，磨粒在未施加超聲振動(dòng)時(shí)磨屑為帶狀磨屑，而在施加軸向超聲振動(dòng)后磨屑呈現(xiàn)碎片狀，主要因?yàn)槟チ５妮S向運(yùn)動(dòng)使得磨粒的切入角α比無(wú)振動(dòng)時(shí)大，在高頻沖擊作用下振動(dòng)剪切角大于普通磨削角，工件材料受到高頻振動(dòng)的沖擊使得材料產(chǎn)生微裂紋，降低了材料的強(qiáng)度，磨屑更易于從工件分離，形成的磨屑長(zhǎng)度相比普通珩磨時(shí)要短的多。普通珩磨時(shí)油石常被磨屑堵塞，嚴(yán)重影響磨削效率，而超聲振動(dòng)形成的磨屑長(zhǎng)度短，同時(shí)在振動(dòng)的作用下，磨屑很容易從油石間隙脫落，能明顯改善油石堵塞現(xiàn)象，提高珩磨效率。

(a)普通珩磨　　　　　　(b)超聲振動(dòng)珩磨

2.3超聲振動(dòng)珩磨溫度場(chǎng)分析

圖5為普通磨削和超聲振動(dòng)磨削時(shí)的溫度場(chǎng)云圖。通過(guò)對(duì)比各組數(shù)據(jù)，超聲振動(dòng)磨削的磨削溫度較無(wú)振動(dòng)有一定程度降低。原因是振動(dòng)使得磨削溝槽寬度增加，且磨粒的左右的兩側(cè)與溝槽間斷接觸,這樣的分離特性使散熱更充分。由圖5可以看出無(wú)振動(dòng)時(shí)磨削溝槽的溫度分布是連續(xù)的，而施加了超聲振動(dòng)后，溫度的分布是斷續(xù)的，磨粒與工件總接觸時(shí)間減少，產(chǎn)生的熱量可以更有效地傳遞出去，減少熱量累積，使得超聲振動(dòng)時(shí)的溫度低于普通珩磨；其次，超聲振動(dòng)切削時(shí)的磨粒與工件的總摩擦?xí)r間縮短使得由摩擦產(chǎn)生的熱量減少。

圖6　珩磨速度對(duì)溫度的影響

圖7　振幅對(duì)溫度的影響

在圖6中超聲振動(dòng)的磨削溫度要明顯低于無(wú)振動(dòng)，磨削溫度降低了25%左右。超聲振動(dòng)時(shí)磨削溫度隨著磨削速度的增大而升高，且三種不同頻率的溫度曲線數(shù)值差異較小，說(shuō)明振動(dòng)頻率的變化對(duì)磨削溫度的變化影響較小。而溫度的升高主要是因?yàn)殡S著磨削速度的增大，磨粒與工件材料的摩擦加劇產(chǎn)生更多的熱量。圖7反映了磨削溫度隨著振幅的增大緩慢升高，同時(shí)對(duì)比某一幅值的三個(gè)溫度值，發(fā)現(xiàn)速度越高溫度也越高。這主要是因?yàn)殡S著振幅與速度的增加，磨粒與材料的沖擊動(dòng)能更大，材料克服變形做功增大，溫度也越高。

2.4超聲振動(dòng)珩磨磨削力分析

圖8為獲得的普通磨削和超聲振動(dòng)磨削時(shí)切向磨削力Fx和軸向磨削力Fy曲線。

圖8　傳統(tǒng)珩磨與振動(dòng)珩磨磨削力

由圖8a知切向磨削力在12.5N左右波動(dòng)，且這個(gè)波動(dòng)如同圖3中的磨粒振動(dòng)位移的變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)出一定的波峰和波谷。在圖8b中，傳統(tǒng)磨削時(shí)軸向的磨削力很小，這主要是因?yàn)椴牧系那谐窃谇邢?，軸向只與材料發(fā)生摩擦。而在施加超聲振動(dòng)時(shí)，軸向的高頻脈沖切削同時(shí)產(chǎn)生一定的切削力，且變化趨勢(shì)與施加的振動(dòng)一致。

圖9　速度對(duì)切向力Fx的影響

圖10　振幅對(duì)切向力Fx的影響

如圖9所示，施加了超聲振動(dòng)的磨削力要明顯低于傳統(tǒng)珩磨力，由斷裂力學(xué)可知，材料的斷裂與材料的裂紋有關(guān)，材料強(qiáng)度的降低是由于材料中存在細(xì)微的裂紋引起。超聲振動(dòng)的高頻沖擊加劇了裂紋擴(kuò)展，材料脫離所需的力就明顯小于傳統(tǒng)珩磨。由圖可知磨削力受到速度和振幅變化的影響。切向力Fx隨著速度的增加而增大，主要因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)材料去除體積的增大導(dǎo)致總的磨削力增大，同時(shí)，在相同的速度下，振幅越大，磨削力越小。由圖10知磨削力隨著振幅的增加而減小。仿真結(jié)果還表明，在相同的振幅下，速度越低磨削力越低，且切向力Fx的下降趨勢(shì)明顯，可知振幅對(duì)珩磨力影響較明顯。

圖11　速度對(duì)軸向力Fy的影響

圖12　頻率對(duì)軸向力Fy的影響

在圖11中，軸向力Fy隨著磨削速度的增加而增大，主要因?yàn)殡S著磨削速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積增加導(dǎo)致磨削力增大。由圖12可知，軸向力Fy隨著頻率的增大而減小。研究還發(fā)現(xiàn)在相同的頻率下，磨削速度越高，軸向力Fy越低，主要是因?yàn)殡S著頻率的增大，單位時(shí)間內(nèi)磨粒對(duì)材料的沖擊次數(shù)增加，將會(huì)在工件接觸處產(chǎn)生更多微裂紋，下次切削時(shí)只需要較小的磨削力材料就能從工件脫落，從而降低了磨削力平均值。對(duì)比關(guān)于磨削力的曲線的斜率變化，可以看出在振幅，磨削速度，振動(dòng)頻率中，磨削力受磨粒振幅的變化較為顯著。

3結(jié)論

(1)建立了熱力耦合單顆磨粒有限元模型，對(duì)比已有的研究成果，證明了該方法作為超聲振動(dòng)珩磨研究的可行性。

(2)傳統(tǒng)磨削形成的磨屑相對(duì)連續(xù)，而超聲振動(dòng)磨屑由于受到振動(dòng)的影響則更短，有助于改善油石的堵塞現(xiàn)象，提高磨削效率。

(3)超聲振動(dòng)磨削相比傳統(tǒng)磨削溫度降低了20～25%。在超聲振動(dòng)狀態(tài)下，減小磨削速度，提高振動(dòng)頻率，能降低磨削溫度，有助于改善磨削性能，減小對(duì)工件的熱損傷。

(4)超聲振動(dòng)磨削力相比傳統(tǒng)磨削力降低了20～30%，磨削力的降低有助于提高珩磨精度，提高油石的耐用度。在超聲振動(dòng)狀態(tài)下，增大振幅及降低磨削速度獲得更小的切向力,提高振動(dòng)頻率及降低磨削速度而減小軸向力。

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(編輯趙蓉)

Research on the Ultrasonic Vibration Honing Simulation Based on Coupled Thermal-Mechanical

ZHENG Hua-lin, ZHANG Wei,WANG Liang

(Mechatronic Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Abstract：Due to the experimental device unable to work in multi-parameter state, it is difficult with experimental methods to study the effects of ultrasonic honing on different technological parameters combination. In this paper, a finite element modelbased on 3D coupled thermal-mechanical was established.Then, simulation was made under ultrasonic vibration honingand common honing process, analyzed the vibration when the chip form and forming reason, and the influence of process parameters on the grinding and grinding force.Simulation results showed thatthe ultrasonic vibration grinding chipis fragmented,and there is a 30% reduction incutting forces and about 25% reduction in cutting temperature in ultrasonic vibration honing over that of in common honing. It is also shown that reduce the grinding speed or improve the vibration frequency can further reduce the grinding temperature,increasing amplitude or decrease grinding speed can reduce the tangential forces,improve the vibration frequency or reduce grinding speed can reduce the axial forces.

Key words：technological parameters; finite element simulation;ultrasonic vibration honing;grinding forces

中圖分類號(hào)：TH166；TG580.67

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：鄭華林(1965—)，男，四川營(yíng)山人，西南石油大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)及理論，細(xì)長(zhǎng)桿超聲振動(dòng)珩磨理論與應(yīng)用，(E-mail)654542172@qq.com。

*基金項(xiàng)目：四川省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZA0178)；石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))開(kāi)放基金(OGE201401-01)

收稿日期：2015-01-16

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0035-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.010