大尺度臺板端面磨削加工的三維仿真與試驗研究

高 鵬，張 華，孟 禮，張亞楠

（1.南通大學(xué)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通思瑞機器制造有限公司，江蘇 南通 226500）

1 引言

磨削加工是大部分工件加工的最后一道工序，直接影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，磨削相對于其他加工方法需要更高的能量輸入，必然造成局部溫度升高，并且有可能造成工件局部燒傷相變等不同程度的損傷。大尺度臺板端面磨削相對于一般磨削輸入能量更高，造成磨削燒傷可能性更高［1］。因此為提高磨削加工質(zhì)量，有必要對工件磨削工藝參數(shù)進(jìn)行深入研究。

磨削加工是一個復(fù)雜的非線性過程。文獻(xiàn)［2］利用Deform－3D有限元軟件仿真分析了不同磨削工藝參數(shù)對磨削后磨削溫度和磨削力的影響；文獻(xiàn)［3］利用ABAQUS有限元仿真軟件研究砂輪線速度、磨削切深等工藝參數(shù)對磨削溫度場的影響，并進(jìn)行了試驗驗證，建立了磨削燒傷預(yù)測模型，實現(xiàn)了航空齒輪的磨削燒傷預(yù)測；文獻(xiàn)［4］對緩進(jìn)給磨削下的溫度場進(jìn)行仿真，通過調(diào)整對流換熱系數(shù)與流向工件的熱流密度，得到了與試驗非常接近的溫度場結(jié)果；文獻(xiàn)［5］建立了單顆磨粒幾何模型，運用DEFORM－3D有限元軟件模擬Al2O3磨粒與45鋼不同相對位置時磨削溫度的變化規(guī)律，得出隨著磨粒旋轉(zhuǎn)角度的增大磨削溫度先增大后減小的結(jié)論；文獻(xiàn)［6］建立了圓環(huán)內(nèi)孔磨削的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析軟件ANSYS，對熱傳遞過程進(jìn)行了仿真，得出了工件內(nèi)部溫度場分布云圖。

綜上所述，許多學(xué)者對磨削工況進(jìn)行溫度場的數(shù)值模擬仿真以及試驗驗證，并取得了一定的研究成果，但大都是對外圓磨削研究的結(jié)果，對于大尺度端面磨削研究較少。利用LS?DYNA有限元分析軟件，以大尺度臺板端面磨削為研究對象，建立單顆磨粒有限元模型及材料本構(gòu)模型，在不同的磨削參數(shù)下對磨削過程進(jìn)行仿真并試驗驗證，尋找最佳工藝參數(shù)。

2 有限元建模

2.1 模型的簡化和理論假設(shè)

大尺度端面磨削可以看作是眾多磨粒共同參與磨削的結(jié)果，因而對磨削加工過程的研究可從單顆磨粒磨削出發(fā)，將單顆磨粒磨削結(jié)果在磨削加工區(qū)域進(jìn)行有效集成，首先參照磨粒形狀，將其簡化為十面體，簡化后磨粒的模型，如圖1 所示。

圖1 磨粒的簡化模型Fig.1 Simplified Model of Abrasive Grain

針對基于端面磨削方式下的單顆磨粒磨削仿真過程，提出如下理論假設(shè)：

（1）由于磨粒的線速度遠(yuǎn)大于工件的進(jìn)給速度，所以磨粒相對于工件的運動可以視為圓周運動。

（2）由于磨粒的尺寸遠(yuǎn)小于其旋轉(zhuǎn)半徑，所以在μs量級的時間內(nèi)，其圓周運動軌跡對應(yīng)的弧度近似于0°，可以認(rèn)為磨粒是在做直線運動。

（3）忽略磨削過程中磨粒的磨損，并將磨粒假想為剛體。

基于以上假設(shè)，將工件簡化尺寸為（400×200×100）μm的長方體，并采用SPH粒子建模，仿真模型，如圖2 所示。

圖2 單顆磨粒磨削仿真模型Fig.2 Simulation Model of Single Abrasive Grain Grinding

2.2 材料的基本物理屬性

磨粒的材料為Al2O3，取前角為?45°，其熱物性參數(shù)，如表1所示。

表1 Al2O3的熱物性參數(shù)表Tab.1 Thermal Properties of Al2O3

工件材料為316L不銹鋼，其泊松比為0.29，彈性模量及熱膨脹系數(shù)，如表2、表3 所示。其密度、比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可表示為［7］：

表2 316L不銹鋼的彈性模量表Tab.2 Modulus of Elasticity of 316L Stainless Steel

表3 316L不銹鋼的熱膨脹系數(shù)表Tab.3 Thermal Expansion Coefficient Table of 316L Stainless Steel

2.3 工件材料的本構(gòu)模型

為了能夠在單顆磨粒磨削仿真中更為真實地反映出材料的應(yīng)力應(yīng)變情況，需要在LS?DYNA中輸入材料本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)。由于文獻(xiàn)［8］本構(gòu)模型中綜合考慮了應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率以及熱軟化對米塞斯流動應(yīng)力的影響，非常適合描述金屬材料在大應(yīng)變率下的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，因此采用Johnson?Cook 本構(gòu)模型來描述316L 不銹鋼在磨粒磨削過程中的本構(gòu)行為是合理的［9］。Johnson?Cook本構(gòu)模型的方程為［8］：

表4 不銹鋼的Johnson-Cook模型參數(shù)Tab.4 Johnson-Cook Model Parameters of Stainless Steel

3 LS?DYNA仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)的設(shè)置

由于工件采用SPH粒子建模，所以工件與磨粒間的接觸方式為節(jié)點－表面接觸。對于磨粒，需要約束磨粒y軸和z軸方向的自由度以及全部的旋轉(zhuǎn)自由度；對于工件，需要約束其底部全部的自由度，兩側(cè)z軸方向的自由度以及左端面x軸方向的自由度。仿真中主要工藝參數(shù)，如表5所示。

表5 仿真參數(shù)Tab.5 Simulation Parameters

3.2 磨削深度對磨削溫度的影響分析

磨削速度為20m∕s時不同磨削深度下試件材料的溫度場云圖，如圖3所示。圖中單顆磨粒磨削過程中的最高溫度發(fā)生在磨粒底部靠近前端的位置，其熱量的主要來源是摩擦。隨著磨削深度增加，磨削溫度也在增加，當(dāng)磨削深度為10μm時，磨削溫度最高為662.9℃，而當(dāng)磨削深度為40μm 時，磨削溫度最高可達(dá)879.7℃，磨削溫度增幅較大，其主要原因為磨削深度越大，磨粒與試件的擠壓面積越大，更多的試件材料發(fā)生塑性變形，摩擦生熱增加，磨削溫度也隨之增加。

圖3 不同磨削深度下的溫度場云圖Fig.3 Cloud Diagram of Temperature Field at Different Grinding Depths

3.3 磨削速度對磨削溫度的影響分析

磨削深度為10μm時不同磨削速度下工件材料的溫度場云圖，如圖4所示。圖4中，最高磨削溫度也隨著磨削速度增加而增加，當(dāng)磨削速度為5m∕s時，最高磨削溫度為564.6℃，而當(dāng)磨削速度為20m∕s時，最高磨削溫度662.9℃。其主要原因為隨著磨削速度的增加，磨粒與工件材料間的擠壓摩擦現(xiàn)象加劇，摩擦產(chǎn)生熱量增加，磨削溫度也隨之上升，但溫度增幅相對較小。單顆磨粒磨削深度和磨削速度的增大都導(dǎo)致磨削溫度的增大，但是在仿真中所考慮的參數(shù)范圍內(nèi)，磨削深度對磨削溫度的影響更大，當(dāng)磨削深度為40μm、磨削速度為20m∕s時磨削溫度最高，可達(dá)879.7℃。以上為單顆磨粒磨削造成的影響，但當(dāng)進(jìn)行大尺度端面磨削時，磨削速度增加不僅有摩擦現(xiàn)象的加劇，還有單位磨削區(qū)域內(nèi)通過的磨粒數(shù)的增加，而所有參與磨削的有效磨粒都會造成該磨削區(qū)域磨削溫度上升，這就使造成磨削溫度上升的因素更加復(fù)雜，而大尺度端面磨削易阻塞，要用疏松組織砂輪，該砂輪磨料為白剛玉，內(nèi)徑為147mm外徑為197mm，由此可估算在磨削深度為20μm、線速度為20m∕s時進(jìn)行端面磨削，工件不會發(fā)生磨削燒傷。

圖4 不同磨削速度下的溫度場云圖Fig.4 Cloud Diagram of Temperature Field at Different Grinding Speeds

4 磨削試驗

搭建端面磨削試驗平臺，如圖5所示。采用杯型砂輪進(jìn)行端面磨削，砂輪外徑為197mm，內(nèi)徑為147mm。

圖5 端面磨削試驗平臺Fig.5 Face Grinding Test Platform

臺板在經(jīng)過端面磨削后需要對其磨削表面形貌進(jìn)行觀測，并需要獲取其表面粗糙度等數(shù)據(jù)以進(jìn)行對比分析。其檢測手段為利用HS?G001B型電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡對不同磨削參數(shù)下的試件磨削表面的形貌進(jìn)行觀測，并對其表面的磨痕及燒傷進(jìn)行對比分析；利用TR200型表面粗糙度儀測量工件表面粗糙度。

4.1 磨削深度對磨削質(zhì)量的影響分析

本實驗以磨削后對試件表面的形貌觀測是否出現(xiàn)磨削燒傷為判斷依據(jù)。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為1600r∕min時不同磨削深度下試件磨削表面的微觀形貌，如圖6所示。

圖6 不同磨削深度下試件磨削表面的微觀形貌Fig.6 Micro－Morphology of The Ground Surface of the Specimen at Different Grinding Depths

圖6（c）及圖6（d）中，出現(xiàn)了明顯的顏色變化，這是由氧化變色導(dǎo)致的，工件表面發(fā)生磨削燒傷，驗證了磨削深度的增加導(dǎo)致溫度的升高。

圖7 表面粗糙度與磨削深度的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship Between Surface Roughness and Grinding Depth

4.2 砂輪轉(zhuǎn)速對磨削質(zhì)量的影響分析

磨削深度為20μm時，不同砂輪轉(zhuǎn)速下試件磨削表面的微觀形貌，如圖8所示。圖8（c）為磨削速度為1600r∕min時的微觀形貌，但沒有發(fā)現(xiàn)磨削燒傷，說明在仿真中所考慮的參數(shù)范圍內(nèi)，磨削深度對磨削溫度的影響更大。

圖8 不同砂輪轉(zhuǎn)速下試件磨削表面的微觀形貌Fig.8 Micro－Morphology of the Grinding Surface of the Test Specimen at Different Wheel Speeds

表面粗糙度與砂輪轉(zhuǎn)速間的關(guān)系曲線，如圖9 所示。當(dāng)磨削深度為20μm時，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度先迅速減小而后趨于平緩；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速超過800r∕min時，繼續(xù)增大砂輪轉(zhuǎn)速對表面粗糙度已無明顯影響。這是因為砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間單位面積內(nèi)通過的磨粒越多，導(dǎo)致粗糙度越小，但是由于砂輪的磨削性能限制，當(dāng)粗糙度降低到一定程度后就會趨近某個數(shù)值。

圖9 表面粗糙度與砂輪轉(zhuǎn)速間的關(guān)系曲線Fig.9 Relation Curve Between Surface Roughness and Wheel Speed

在保證大尺度臺板的表面粗糙度值Ra≤0.8μm的前提下，應(yīng)盡量提高磨削效率。則由試驗結(jié)果分析可得到，可知砂輪轉(zhuǎn)速宜在（1250～1600）r∕min范圍內(nèi)選取。

5 結(jié)論

采用仿真與試驗相結(jié)合的方法對316L 奧氏體不銹鋼端面磨削探索最佳工藝參數(shù)的研究，主要結(jié)論如下：

（1）仿真分析結(jié)果表明，在仿真中所考慮的參數(shù)范圍內(nèi)，磨削深度對于溫度影響最大。

（2）試驗結(jié)果表明，對于端面磨削，隨著磨削深度增加，工件表面粗糙度變大且對其影響逐漸變大，而磨削速度相反。

（3）端面磨削最佳工藝參數(shù)砂輪轉(zhuǎn)速宜在（1250～1600）r∕min范圍內(nèi)選取，磨削深度宜控制在20μm左右。