单粒磨削过程仿真与工件表面残余应力的离散度分析

　第43卷第5期　2009年5月

上海交通大学学报

J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT Y

Vol.43No.5　

May 2009　

收稿日期:2008205227

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50705061)

作者简介:张雪萍(19722),女,河南平顶山人,副教授,主要从事精密制造工艺研究.

电话(Tel.):021*********;E 2mail :zhangxp @ .cn.

文章编号:100622467(2009)0520717205

单粒磨削过程仿真与工件表面

残余应力的离散度分析

张雪萍,　王和平,　高二威

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

摘　要:基于有限元软件Deform 22D ,建立了具有负前角特征的单颗磨粒磨削热力耦合有限元模

型.仿真模拟了磨粒磨削工件时的温度场和应力场分布,分析了工件某点应力在磨削过程中的变化情况及该点最终形成的残余应力.结果表明:随着磨粒负前角的绝对值增加,工件表面残余应力值增大,当磨粒负前角由-15°到-35°时,工件表面残余应力差值达到284M Pa ;当磨粒采用负前角为-15°、-25°和-35°时,工件表面产生的残余应力标准差达到145.76M Pa.该研究证明了磨粒几何角度的随机性或离散性是影响磨削工件表面残余应力离散度的重要原因.关键词:单颗粒磨削;负前角;残余应力;离散度中图分类号:T G 580 文献标识码:A

Simulation of Single Abrasive Particle G rinding Proce ss and

Analysis on the Residual Stre sses Scatter

Z H A N G X ue 2pi n g ,　W A N G He 2pi n g ,　GA O Er 2w ei

(School of Mechanical Engineering ,Shanghai Jiaotong U niversity ,Shanghai 200240,China )

Abstract :A coupled t hermal 2mechanical model was established for t he grinding p rocess of a single abrasive characteristic wit h negative rake angle based on t he Deform 22D FEM software.The temperat ure and st ress dist ributio n were demonst rated ,t he st ress history of one point in t he machined workpiece was simulated ,and t he residual stress generation was analyzed by t he single 2abrasive grinding process simulation.The re 2sult s indicate t hat t he workpiece ’s residual stress increases wit h t he negative rake angle absolute value.The workpiece ’s residual st ress variation arrives at 284M Pa when t he negative rake angle value of an abra 2sive particle varies from -15°to -35°.The standard deviation is 145.76M Pa when t he negative rake an 2gle adopt s -15°,-25°and -35°respectively.It validates t hat t he abrasive geomet ry randomness is an important factor to determine t he workpiece residual stress scatter during t he grinding process.Key words :single 2abrasive grinding ;negative rake angle ;residual st ress ;scatter

精密磨削是工件加工的最后工序,工件表面残

余应力对其诸如耐疲劳、抗腐蚀、耐磨等性能具有很大影响[1,2].因此,磨削表面残余应力及其离散度日

渐成为零件表面完整性研究的重要内容.磨削加工同一批或同一零件时,机床特性、磨削工艺参数、磨削液及其注入方式等均能够影响残余应力的分布特

性[3,4],而当磨削加工的机床特性、工艺参数和润滑方式等都确定时,砂轮磨粒几何角度的随机性就成为最重要的影响因素.

金属切削加工的有限元模拟综合考虑了工件材料、刀具材料、加工方式及工艺参数等,能够定量分析切削力、切削温度、残余应力等物理量[5].Deform 软件能够分析考虑热力耦合的非等温变形问题[6],具有网格自动划分与自动再划分模块.当网格重划分后,能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场及边界条件等数据的传递,从而保证计算的连续性.

单颗磨粒磨削是认识复杂磨削作用的重要手段,其可以在相似的磨削加工过程中不受其他磨粒的影响,采用较大的载荷以及放大磨削的程度[7].因此,,综合利用切削加工过程中有限元模拟技术仿真单颗磨粒磨削过程.

1　单颗磨粒磨削过程

磨削加工时,砂轮与工件相互接触与滑动,逐渐切除工件和砂轮相互干涉部分,从而形成加工表面.砂轮作为磨削加工刀具而具有磨粒排列不规则性,其间距和高低随机分布;磨削区内有效磨粒数目不确定;磨粒形状各异,且其切削刃不规则,切削面积不相同;磨粒切削刃存在不同形式和不同程度的磨损.通过研究发现,磨削过程的实质是切削、刻划和摩擦抛光的综合作用过程.粗磨时以切削作用为主,精磨时切削作用和摩擦抛光作用并存.由于磨削过程中磨损和磨削区的不断变化,磨削时以不同的负前角切削,这是磨削加工的一大特点[8].

基于以上分析,本文以单颗粒磨削过程为切入点,以具有负前角磨粒为切削刃,采用有限元法分析单颗磨粒切削过程中残余应力的产生过程,同时研究磨削后工件残余应力离散度的变化规律.

2　热力耦合FEM模型的建立

2.1　磨粒与工件网格划分

在切削过程中,起切削作用的磨粒较为锋利,相当于刀具,其前角为-45°～-15°[8].如图1(a)所示,磨粒的前角为-15°,后角为5°;由于磨粒的刚度比工件的刚度大,采用刚体模型并划分四面体网格单元.由于切削达到稳态的时间较短,瞬态切削热源影响的区域较小,故取工件的一部分区域进行建模,工件的几何尺寸为3mm×1mm,对此区域进行细密网格划分,如图1(b)所示.工件材料采用Deform 材料库中所对应的高碳铬轴承钢GCr15,型号为A ISI

52100.

(

a)磨粒网格

(b)工件网格

图1　磨粒与工件的有限元网格划分

Fig.1　Original mesh of abrasive grit and workpiece

2.2　刀具与工件之间接触摩擦关系

切削过程中主要存在2对摩擦副:①刀具前刀面与切屑底层的摩擦;②刀具后刀面与已加工表面之间的摩擦.由于摩擦情况非常复杂,在有限元仿真中一般采用修正的Coulomb摩擦定律,该方法将摩擦区分为滑动区和黏着区[6],其表达为

τ

fr=

μσ

n,　τfr<τ

-

max

(滑动区)

τ-

max,　τfr≥τ

-

max

(黏着区)

(1)式中:τfr为刀具与切屑接触面的摩擦力;τfr≥τ-max为材料临界剪切应力;μ为滑动区的摩擦系数;σn为刀具与切屑接触面的法向应力.

在切削过程中,切削热主要来自于切屑的塑性变形功和刀具与切屑之间的摩擦功.定义磨粒为主件,工件为从件,磨粒与工件之间为库仑摩擦,μ= 0.1[5].

2.3　切屑分离和断裂准则

切屑的有效分离是实现切削加工过程有限元仿真的关键.仿真采用无量纲Normalized Cockcroft &Lat ham切屑分离准则,分离系数为0.2.根据刀尖处工件有限元网格单元的应变能达到设定值时材料失效[6]的准则,该准则属于宏观断裂力学的范畴,其定义为

∫εf0σ3dε=c(2)式中:εf为材料发生断裂时的应变值;σ3为最大应力;ε为等效应变;c为材料临界破坏值.同时,切屑

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