基于Deform 3D对磨削表面残余应力的仿真研究

精 密制 造 与 自动 化
ｏ◇ ０・ ∈ ｏ— Ｅ ９・ ０・ ∈ ｏ・ ◇ 。◇ ｏ ・ ∈｝ｏ ・ Ｅ ９・ ０ ｅ ｏ
２ ０ 究３ Ｏ
基 于 Ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ３ Ｄ对 磨 削表面残余应力 的 仿真研 究
（ 上海 大 学
摘 要
砂轮磨粒 的破碎与脱落 ； （ ２ ） 磨削过程 中变形复杂， 指导。 生成 层叠 状挤 裂 切屑 ； （ ３ ） 磨 削力 大 、 磨 削温 度 高； （ ４ ） 化 学 活性 强 ， 容 易与 空气 中 的氧气 发生 化学 反 １ 有 限元 模拟 的理 论基 础 应 释 放 出大量 的热 量 ，使得 磨粒 表 层逐层 剥 蚀 ，最 １ ． １ 材料本构模型的建立 终导 致砂 轮氧 化 磨损 。 在 外 圆磨 削过 程 中， 难加 工材 料钛 合金 （ Ｔ Ｃ ４ ）
钛合 金 的应用 领域 以及 磨 削加 工 的高精 度决 定
了其 运用 磨 削加工 的必 要性 。因钛 合金应 用 领域 之 广 泛 ，对 其加 工表 面质 量 的研 究尤 为重 要 ，而加 工
处 于 高温 、大应 变和 高 应变 率 的情 况 并会 发生热 弹 塑 性变 形 ，因此 构建 能 够反 映材料 特 点 的材 料本 构 模 型 是仿真 结 果 的正确 性和 可靠 性 的基 础 和前提 。 选用 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ ． Ｃ ｏ ｏ ｋ （ Ｊ ． Ｃ ） 材 料 本构模 型 描述 工件 材 料 最 为合适 。Ｊ ． ｃ 材料 模 型是 一个 能反 应应 变率 强 化 效应 和温 升软 化效 应 的理想 刚 塑性 强化模 型 ，该 模 型利 用变 量乘 积关 系分 别描 述应 变 、应变 率和 温 度 的 影响 。该模 型 具体表 达式 如 下 ：
分 析 不仅 能对 机理 进行 深入 研 究 ，并可 方便 地对 磨
削 加 工工 艺进 行优 化 ， 同时还 能节 约加 工成 本 降低 加 工 中带 来 的安全 隐 患 。 进 行 高速 磨削 （ 砂 轮速 度在 ４ ５ ～ ９ ４ ｒ ａ ／ ｓ 之 间 ）工 艺 仿真。 分析 不 同磨削 参数 下 （ 砂轮 速度 、工 件速 度和
ｏ ＝ ＋ ） ［ １ ＋ ｃ ・ ｎ （ 亳 ） 】 × ［ 卜 一 Ｔ － Ｔ ｒ ｏ ｏ 。 ｍ ． ・ ｍ ］
（ １ ）
其 中 ，ｓ 为 塑性 应变 ； 为塑 性应 变 率 ； 为 初 料 的熔 化温 度 、环 境温 度 （ ２ ０ ℃） ；Ａ、Ｂ、Ｃ、ｎ 、
贾亚凯 李 静 沈南燕 何永义 上 海 大学机 械 自动 化及 机器 人重 点 实验室 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ）
针对钛合金材料磨削加工难 的特点 ， 利用有 限元软 件 Ｄ ｅ ￣ｒ ｍ ３ Ｄ通过 建立 能够 反映材料在磨 削过程 中表
现出的大应变、高温及高应变率的 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ ． Ｃ ｏ ｏ ｋ材料本构模 型来模拟钛合金 Ｔ Ｃ ４的磨 削加 工过程 ，并对磨削后 工件所受的残余应力进行 了分析 。验证了有限元模型的有效性和正确性 ，为完 善钛 合金残余 应力的研 究以及 工艺
：
利用 软件 Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ３ Ｄ， 对 难加 工材 料钛 合金 （ Ｔ Ｃ ４ １ 始塑性应变率；Ｔ为工件温度 ； Ｔ ｍ 、７ ＂ ｒ 。 。 ｍ：工件材 分 别表 示屈服 强度 （ ＭＰ ａ ） 、硬 化 模量 （ ＭＰ ａ ） 、
应变 率 相关 系数 、硬化 系 数 、热软 化系 数 。
后 表 面残 余应 力对 工件 的使 用性 能 影响 极大 是表 面 质 量 评价 的主 要指 标之 一 。 但 在 实 际加工 过程 中的表面 残 余应 力 、应变 、 温 度 等 的测量 及其 困难 ，仅 通过 实验 无法 对 磨 削机
理 进 行深 入 的研 究 ，而 且 也不切 实 际 。 利 用有 限元分 析技 术分 析对 磨 削过程 进 行仿 真
磨 削深 度 ）磨 削加 工后 表面残 余 应力 的分 布规 律 。 同时将 仿真 结 果和 实 际试验 结果 进行 对 比分析 ，阐
１ ． ２ 模型的简化和假设
磨 削加工 的本 质仍 然 是磨粒 的切削 作用 瞳 ，而
７
参 数 的 优 化 选 择 指 明 了方 向 。
关键词
钛合金
表面残余应力
Ｄ ｅ ￣ｒ ｍ ３ Ｄ
钛合金是典型的难加工材料 。其磨削加工难点 表 现 如 下 ：（ １ ）砂 轮粘 附严 重 ，粘 附物 脱 落 将导 致
述 高速 外 圆磨 削 的表 面 残余 应力 与加 工参 数之 间 的 关系 ，从 而为 钛合 金磨 削工 艺参 数 的优 化 选择 提供