基于DEFORM-3D单颗磨粒切削仿真与研究

基于DEFORM-3D单颗磨粒切削仿真与研究
刘晓初;陈凡;赵传;何铨鹏
【摘要】建立了单颗磨粒几何模型,运用DEFORM-3D有限元软件模拟AI203磨粒与45钢不同相对位置(旋转角度)时磨削力、等效应力、等效应变与磨削温度的变化规律,仿真结果表明:随着磨粒旋转角度的增大,法向磨削力和切向磨削力都增大,其比值约为(1～1.3),磨削温度先增大后减小,磨粒旋转角度越小,越易形成切屑,等效应力最大位置是磨粒耕犁作用产生的堆积材料挤压周围材料的那部分区域,而等效应变的最大位置是磨粒前刀面与工件接触的区域.单颗磨粒切削仿真为磨削加工之前磨削力与磨削温度的预测提供理论依据,也为砂轮的制备提供了参考.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2016(000)010
【总页数】5页(P69-73)
【关键词】DEFORM-3D;单颗磨粒;磨削力;磨削温度;旋转角度
【作者】刘晓初;陈凡;赵传;何铨鹏
【作者单位】广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006
【正文语种】中文
【中图分类】TH16
磨削过程实际上就是磨具表面大量排列参差不齐、分布不规则的形状各异的磨粒共同完成的切削过程［1］，由于磨粒的切入深度不同，因此磨削过程包括滑擦、耕犁和切削三个阶段。

磨削力与磨削温度是砂轮磨削加工中两个重要的参数。

磨削力产生于滑擦、耕犁和切削三个阶段，而每个阶段对磨削力的影响主要取决于磨料、工件材料、磨削液、化学反应及磨刃形状［2］。

磨削温度主要来自于磨粒与工件的耕犁和切削作用，而磨削力，磨削温度与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、比磨削能等均有直接的关系。

因此，研究磨削力、磨削温度对磨削加工的影响来提高磨削效率及磨削成本是非常必要的。

由于砂轮表面极其复杂，对砂轮表面的形貌仿真比较困难，因此国内外许多学者都是通过研究单颗磨粒模型的建模仿真或实验来研究磨削力与磨削温度的。

文献［3］利用单颗磨粒实验研究了工件次表面损伤情况。

文献［4］进行了单颗磨粒的仿真与实验，研究了不同切削速度、切削深度磨削力的变化，证明了单颗磨粒模型的可靠性。

文献［5］通过建立单颗磨粒切削的物理力学模型和数值仿真模型，利用不同载荷下的划痕试验验证了这两个模型的准确性。

文献［6］通过观察分析单颗磨粒划擦痕迹研究了磨削力随速度的变化规律。

文献［7］采用Deform-2D模拟了磨粒在不同前角下磨削力的变化规律及工件内部的应场、应变场和温度场的分布情况。

文献［8］进行了单颗金刚石磨粒磨削玻璃的磨削力研究，分析了磨削参数及磨粒切入锥角对磨削力的影响。

以上研究表明了磨削力、磨削温度与磨粒切削深度、切削速度、磨粒前角等之间的关系，但由于砂轮表面的复杂性，在砂轮制备过程中，磨粒嵌入砂轮表面结合剂的形式是多种多样的，以上研究在单颗磨粒仿真时，没有考虑到这一点。

而笔者以此
出发，通过建立单颗磨粒三维模型，运用DEFORM-3D有限元软件模拟Al2O3
磨粒与45钢不同相对位置（旋转角度）时磨削力、等效应力与磨削温度的变化规律，为磨削加工之前磨削力与磨削温度的预测提供理论依据，也为砂轮的制备提供了参考。

磨粒的形状可分别用长（l），宽（b）高（h）来表，如图1所示。

磨粒切削刃的特征参数为顶锥角2θ及尖端圆弧半径ρg，圆弧半径与顶锥角、磨粒尺寸之间有
一定的关系。

磨粒的几何形状是其重要特征之一，影响着自身的硬度、韧性、耐磨性、自锐性，更关系到砂轮的切削性能［9］。

文献［10］将球体作为单颗磨粒形状来构建陶瓷结合剂砂轮形貌，文献［11］则将圆锥体作为单颗磨粒形状来研究磨粒磨损问题。

为了便于计算和仿真模拟，也为了突出单颗磨粒的特点，将四棱锥作为单颗磨粒三维模型，并在三维建模时将四棱锥的尖端用半径为ρg的球面过渡，如图2所示。

氧化铝磨粒2θ、ρg与磨粒尺寸b的关系，如图3所示。

以砂轮型号为WA60kV 中的磨粒为仿真对象，其粒度为60，则磨粒尺寸b约为126μm。

设置单颗磨粒
模型的几何参数，如表1所示。

磨粒的形状虽然可以用四棱锥来表示，但是其在砂轮结合剂中的相对位置是千变万化的，因而单颗磨粒切入工件时与工件的相对位置是不一样的，磨粒与工件的几种位置关系，如图4所示。

主视图，如图4（a）所示。

不同角度的俯视图，如图4（b）～图4（e）所示。

从图中可以看出，磨粒与工件位置的不同表现在旋转角度ɑ的不同，图4（b）中的ɑ值为0，图4（d）中的ɑ为45°，而由于图4（c）、图4（e）两种位置关
系是对称的，故都记为一个角度。

因此将ɑ作为仿真中的变量来研究其对磨削力、等效应力、等效应变、磨削温度的影响，且ɑ的取值区间为（0～45）°，并从（0～45）°等距离插入4个值，仿真模拟参数，如表2所示。

选定工件材料为45钢，牌号为AISI-1045，磨粒材料为Al2O3，其物理性能，如表3所示。

4.1 仿真前处理设置
进入Deform-3D前处理界面，将工件设置为塑性体，由于磨粒硬度比工件大得多，故将磨粒设置为刚体。

采用四面体网格划分工件，网格数为32000，测量到最小
网格尺寸约为0.0025mm，则将步长控制为0.0008mm（约为最小网格尺寸的
1/3）。

为保证磨粒能切削整个工件长度，而用时也最短，设置总运算步数为230步，存储增量为每4步存一次。

设置剪切摩擦系数μ=0.3，环境温度为恒温20°C，磨粒和工件材料的初始温度均为20°C，模拟过程中的热传递系数设为
11N/sec/mm/°C，对流换热系数设为0.02N/ sec/mm/°C。

参数设置完成后可开始进行仿真求解。

4.2 磨削力
磨粒旋转角ɑ=36°时模拟的切向力（Tangential force）和法向力（Normal force）随切削时间的变化规律，如图5所示。

而在其它旋转角度下，模拟的磨削
力变化趋势基本相同。

磨削力先增大，然后趋于稳定，最后减小直至为零。

因此，整个切削过程可分为3个阶段：进入切削（t=0～9.1e-7）、平稳切削（t=0.91～3.42e-5）和离开切削阶段（3.42～4.6e-6）。

在磨粒进入切削阶段，磨粒与工件慢慢接触，磨削力随磨粒的位移几乎是线性增加，这是由于在开始阶段，工件只有弹性变形，服从胡克定律，即图5中对应的t=0～4.5e-7s；当磨粒对工件的挤压
作用力超过了工件的屈服强度时，工件产生了塑性变形，即对应图5中的t=4.5～9.1e-7s。

在平稳切削阶段，磨粒已完全切入工件，工件三维模型中的四面体小单
元不断剥离，磨削力会在某个值上下波动。

之后，磨粒慢慢离开工件，磨削力逐渐减小直至完全脱离工件，磨削力变为0。

磨粒在平稳切削阶的磨削力最能反映其所受真实磨削力大小，利用DEFOERM输
出曲线图数据，计算出磨粒不同旋转角度下平稳阶段切向力和法向力的平均值，并作出关系曲线图，如图6所示。

磨粒不同旋转角度与磨削力的关系，如图6所示。

从图6中可以看出，法向磨削
力和切向磨削力基本上都随着磨粒旋转角度的增大而增大，当磨粒旋转角度为45°时，磨削力达到最大值，法向磨削力与切向磨削力的比值在（1～1.3）之间。

由于磨粒旋转角度越小，那么磨粒看起来就越“窄”，则磨粒越锋利，产生的磨削力就越小，与模拟仿真的磨削力变化规律基本吻合。

虽然磨粒三维模型的顶锥角为105°，但是由于存在磨粒旋转角度ɑ，实际磨粒的
顶锥角就不是105°，那么就存在一个等效磨粒顶锥角，并随ɑ大小的变化而变化，如图7所示。

其关系如下：
式中：2θ*—等效磨粒顶锥角。

式（1）表明，ɑ越大，等效顶锥角2θ也越大，当ɑ为45°时，顶锥角达到最大值，而根据文献［8］表明：在相同的切削深度下，当磨粒切入的锥角越大时，磨削力也越大。

这与磨削力的仿真结果一致，从而验证了仿真结果的可靠性。

4.3 等效应力和等效应变
磨粒旋转角ɑ=18°，工件在仿真step124时的等效应力云图，如图8（a）所示。

在最大等效应力处的剖面图，如图8（b）所示。

在磨粒切削过程中，磨粒前刀面
对工件的耕犁作用使工件材料不断堆积直至使其脱离工件表面，形成切屑。

堆积的的这部分材料对周围材料不断挤压，使其产生塑性变形，从图中可以看出，在塑性挤压区等效应力最大，然后向四周逐渐减小，最大是等效应力为1449MPa。

磨粒旋转角ɑ=18°，工件在仿真step124时最大等效应力的变化规律，如图9所示。

其基本规律是先上升后下降，在ɑ=9°时达到最大值1520MPa，最大等效应
力在图8所示的塑性挤压区域，而没有出现在磨粒前刀面与工件材料直接接触的
区域，由于工件材料的屈服强度在400MPa左右，当超过这一值时，切削层材料
就会不断积累形成切屑直至被剥离工件表面。

图8中显示的磨粒前刀面与工件材
料接触的区域等效应力在（500～900）MPa之间，大于工件材料的屈服强度，即会看到切屑的累积。

磨粒旋转角ɑ=18°，工件在仿真step124时的等效应变云图，如图10（a）所示。

在最大等效应变处的剖面图，如图10（b）所示。

图中反映了等效应变的最大位
置是磨粒前刀面与工件的接触区域。

由于在磨粒切削过程中，磨粒前刀面对工件进行滑擦、耕犁或切削作用，使与磨粒前刀面接触的工件材料不断受到挤压变形，产生塑性移动。

与等效应变位置不同的是，等效应力最大位置是耕犁作用产生的堆积材料挤压周围材料的那部分区域。

4.4 切屑的形成
磨粒在不同旋转角度时形成的切屑，如图11所示。

在ɑ=（0～27）°时，可以很
明显地看到切屑的堆积，而在ɑ=36°和45°时，只有磨粒耕犁作用产生的沟痕。

因为磨粒旋转角度较小时，磨粒就越锋利，更容易产生切屑，旋转角度大，磨粒越钝，易将工件材料向两边挤压，形成沟痕。

4.5 磨削温度
磨粒旋转角ɑ=18°，工件在仿真step125时的温度分布图，如图12（a）所示。

在最大温度处的剖面图，如图12（b）所示。

由于磨粒的运动，磨粒前刀面与工
件材料不断进行强烈地摩擦和挤压，形成了较高的温（红色区域），最高温度为919.6°C，然后向四周逐渐减小；在垂直于工件表面的方向上，温度下降较快，除了与工件材料有关外，还有一个原因是磨粒的高速运动使产生的切屑快速地分离了工件，带走了大量的热量，大部分热量只停留在工件表面，只有少部分热量向工件内部传入。

另外，由于采用干磨削方式仿真，磨粒切削工件表面时，温度会迅速上升到较高温度，甚至会烧伤工件，因此，在实际磨削过程中，磨削液的作用对磨削
温度的影响是至关重要的。

磨粒旋转角度与最高温度的关系，如图13所示。

从图中可以看出随着旋转角度的增大，磨削最高温度先增大，当旋转角度ɑ=9°时达到最大，为937°C，之后，逐渐降低。

前面说过在旋转角度较大时，磨削力较大，而通常情况下磨削力越大，磨削温度应越高，产生这一现象的原因可能是：在研究单颗磨粒切削工件产生的温度时，相关领域学者没有将磨粒与工件的相对位置作为一个变化参量来考虑，即默认磨粒与工件的相对位置都是一样的。

但是磨粒在旋转角度较小时，容易产生切屑，而在切屑被切除之前，切屑在不断挤压周围的工件材料，产生了大量的热量，从图10也有所反应，最高温度是在切屑周围。

因此除了磨粒前刀面与工件材料不断摩
擦挤压形成切屑产生热量外，还有切屑在切除之前与周围工件材料的挤压作用产生的热量，而这部分热量也与ɑ有关，即ɑ越大，越不易产生切削，这部分的热量
就越少，温度就较低。

（1）法向磨削力和切向磨削力都随着磨粒旋转角度的增大而增大，当磨粒旋转角度为45°时，磨削力达到最大值，法向磨削力与切向磨削力的比值在（1～1.3）之间。

（2）等效应力最大位置是磨粒耕犁作用产生的堆积材料挤压周围材料的那部分区域；而等效应变的最大位置是磨粒前刀面与工件接触的区域。

（3）旋转角度越大，磨粒切入工件时顶锥角越大。

旋转角度越小，越容易形成切屑。

（4）随着旋转角度的增大，磨削最高温度先增大，当旋转角度ɑ=9°时达到最大，为937°C，之后，逐渐降低。

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