磨料流加工中有效磨粒工况对加工结果影响的仿真分析

磨料流加工中有效磨粒工况对加工结果影响的仿真分析
发布时间：2023-02-17T02:37:42.150Z 来源：《教育学文摘》2022年第9月19期作者：张志斌
[导读] 利用Abaqus软件构建磨料流加工仿真模型，对加工过程中近壁粒子运动状态进行仿真分析。

通过比较可知，有效磨粒所受的压强对Mises应力有显著影响，磨料流速有明显但非线性的影响。

张志斌
（安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥 230000）
摘要：利用Abaqus软件构建磨料流加工仿真模型，对加工过程中近壁粒子运动状态进行仿真分析。

通过比较可知，有效磨粒所受的压强对Mises应力有显著影响，磨料流速有明显但非线性的影响。

结果为后续磨料流加工仿真研究提供理论依据与模型支持。

构建磨料流加工模型
研究加工机理提供理论依据与模型支持。

关键词：磨料流加工；Abaqus；数值模拟
引言
磨料流加工（Abrasive Flow Machining, AFM）是1960年后开发的新型加工工艺，McCarty[1]称其为挤压珩磨法。

随着有限元算法的完善与CAE技术的发展，学者尝试通过仿真手段进行研究。

Junye Li[2]等人研究磨粒流加工工艺中的微孔磨粒流加工技术，通过控制磨粒筒活塞的运动速度来控制工件与磨粒流的相对运动，提高加工精度和效率。

Jain[3]等人采用有限元法分析磨料流加工外表面过程，他们发现当工件所受剪切应力低于屈服应力时，粘塑性物质可视为刚性物质。

超过屈服应力，粘塑性物质可视为牛顿流体。

Bo Tang[4]等人基于液固两相流耦合理论和连续介质理论，建立了面向模具结构面精密加工的软性磨料黏结流动力学模型。

1 磨料流加工仿真研究
1.1 基本假设
（1）磨料流动为稳定流动；
（2）固相、液相均无相变；
（3）将磨料中的载体简化为粘弹性边界条件；
（4）忽略惯性力作用；
（5）满足摩擦条件且摩擦系数保持常数；
（6）不考虑热力耦合。

（7）磨粒简化为圆形颗粒。

1.2 模型的建立
当使用中低浓度磨料进行抛光时，磨料中的磨粒分布稀疏而均匀，很难形成稳定的力链结构。

磨粒与磨粒间的相互碰撞几乎不影响抛光效果。

抛光过程中磨粒与试件表面间相互作用可视为所有近壁处有效磨粒与试件表面各自作用，抛光效果就是所有有效磨粒对试件表面作用总和的宏观体现。

基于以上推论，选取进壁处有效磨粒及有毛刺的工件为研究对象，应用ABAQUS／Explicit模块设计三维有限元模型模型中磨粒直径1mm，工件设计为1mm*0.8mm*2mm的矩形块上有0.5mm的突起毛刺。

为保证仿真精度，工件表面网格采用加密处理，单元格类型选择三维线性减缩积分，六面体为主划分。

模拟过程中共用到2种材料，碳化硅、45号钢。

2 仿真结果与分析
2.1 应力云图分析
仿真磨粒在加工中的运动情况，得到模型的应力云图如图2所示。

在仿真初期，磨粒与工件突起区域没有接触，只是在流体压力的作用下与工件接触，存在较小应力值。

当磨粒达到凸起区域时，磨粒开始做“爬坡运动”，产生较大的挤压与摩擦，Mises应力急剧增大。

为更准确地分析压力分布情况，选取凸起的底部、中部、顶部及平面区域单元格研究，如图3所示，可见平面区域单元格受力很小，突起底部单元格受力最大为214.16MPa，中部单元格受力最大为538.55MPa，顶部单元格受力最大为607.59MPa，已接近材料失效极限。

为研究磨料压强、流速的影响，选取模型顶部同一单元格为研究对象，分别保持磨粒运动速度不变，取压强为6MPa、8MPa、10MPa、12MPa；保持压强不变，取磨粒运动速度为200mm/s、400mm/s、500mm/s进行仿真分析，得到压强、流速影响曲线。

由曲线可知，压强对加工效果影响较大，当压强为6MPa时，凸起区域在磨粒划过时Mises应力最高达到过585.23MPa，但持续时间非常短且回弹非常明显，平均应力值较低，无法实现凸起区域材料快速失效；压强为8MPa时，凸起区域Mises应力最高达到过624.23MPa，且持续时间较长平均应力值较高，但回弹依然明显且平均应力值保持在520MPa左右，可以实现凸起区域材料磨损加剧，但无法导致快速失效；当压强为10MPa时，凸起区域在磨粒划过时Mises应力最高达到过628.19MPa，持续时间长平均应力值保持在600MPa左右，可以导致凸起区域材料快速失效；当压强为12MPa时，Mises应力——时间曲线与10MPa的曲线非常类似，平均应力值略有提高。

这是因为当工作压强较小时，磨粒无法获得足够的支撑力，所以无法导致高效的材料去除。

磨料流速对加工效果有明显影响但不是单调递增的，当磨料流速为时，模型Mises应力变化幅度很大，最高值可达600MPa，但持续到磨粒脱离工件后就会下降至400MPa-500MPa，这说明低流速的磨粒同时造成凸起区域的较大弹性变形与塑性变形，脱离接触后弹性变形消失，应力下降。

当磨料流速为、、时，模型Mises应力变化趋于平稳，在磨粒接触工件凸起区域后，Mises应力值显著增大，磨粒脱离接触后，应力值有一定波动，但仍保持在相应的应力水平上。

由仿真可知，并不是流速越快应力越大，当流速为时，稳定Mises应力最大，为613.25MPa，当流速为时，稳定Mises应力最小，为475.38MPa，当流速为时，稳定Mises应力居中，为541.18MPa，因此应对不同材料的工件选取合适的磨料流速。

3 结论
应用Abaqus软件为平台对磨料流加工工件时，凸起区域的受力及能量分布进行了数值模拟，得到以下结论：
(1) 有效磨粒所受压强对Mises应力有显著影响，提高有效磨粒所受压强，可使Mises应力显著上升。

如压强过低，无法实现凸起区域材料快速失效。

因此加工过程中提高压强可有效提高加工效率。

(2) 磨料流速对Mises应力有影响但非线性，当磨料流速为时，获得最大Mises应力。

因此应对不同工件，应选择合理的磨料流速。

(3) 磨料的总应变能与摩擦耗能在磨粒接触凸起区域时显著增大，粘性耗能只显著受磨粒运动状态的影响。

(4) 在满足仿真基本假设的情况下，应用Abaqus软件可模拟、预估磨料流加工结果，为磨料流加工的理论研究提供方法途径。

作者简介：张志斌（1984—），男，汉，安徽淮北，助教，硕士，研究方向：机械制造。

基金项目：2019年度安徽高校自然科学研究项目省级重点课题，《颗粒流力链特性对磨料流加工的影响研究》，（项目编号：
KJ2019A1013）。