基于ABAQUS的單個顆粒與加工面碰撞對固液兩相流加工的影響研究*

計時鳴，王嘉琦，譚大鵬

（浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014）

0 引 言

在模具制造過程中，為了消除模具表面所殘留的機械加工痕跡，光整加工技術成為了必要的加工環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的光整加工方法一般需要借助工具接觸進行加工，然而基于工具接觸加工難以實現(xiàn)結構化表面［1－2］的精密加工，因此，本研究提出了“軟性”磨粒流的模具結構化表面精密光整加工新方法［3］?！败浶浴蹦チＡ鞯哪＞呓Y構化表面無工具精密光整加工新方法的機理是把具有良好湍流特性的“軟性”磨粒流（具有弱粘性）作為加工工具，利用磨粒流的顆粒與結構化表面進行多角度頻繁的微切削作用，消除加工壁面的粗糙表面，提高切削的均勻性，實現(xiàn)逐步光整，最終實現(xiàn)模具結構化表面無工具精密加工［4－5］。從固液兩相流加工機理可以知道，磨粒與壁面的切削作用是流道壁面磨損［6］最直接的原因。

本研究以單磨粒碰撞加工表面為例，利用具有強大分析功能的ABAQUS有限元仿真軟件［7－8］對磨單磨粒與加工壁面的接觸作用與磨損效果進行分析，為固液兩相流的研究提供理論依據(jù)。

1 磨粒磨損微切削理論

在磨粒磨損中，較硬材料的微凸體會穿透并切削較軟的材料。表面上的刮痕是磨粒磨損的一個標志。Hutchings［9］認為正是磨粒磨損造成加工表面的材料去除。磨粒流技術主要用于金屬、合金等塑性材料的表面光整加工，塑性材料的材料去除主要是由于磨粒對加工表面的微切削作用。

由于所有硬表面上的微切削都是圓錐狀的，顆粒對塑性材料切削作用的示意圖如圖1所示。

圖1 顆粒對塑性材料切削作用示意圖

圖1中，在磨料圓錐法向力的作用下［10－11］，圓錐壓入到較軟的材料中。根據(jù)較軟材料的硬度的定義σ0，有：

圓錐在垂直平面上的投影面積等于r h。對于位移dx，圓錐切掉的體積dV為：

本研究將該體積和材料磨損殘片的體積聯(lián)系起來，也就是二者相等。磨損率定義為磨損殘片的面體積除以滑動的長度，磨損率等于：

所有微粗糙體的總和產(chǎn)生的磨損殘片體積為：

式（4）經(jīng)常被寫為Archard磨損方程，即：

其中，磨損殘片的體積與法向力和滑動長度成正比，與材料成反比。磨損系數(shù)kab r表示磨粒表面的幾何形狀。

Finnie［12］提出了剛性粒子對塑性材料的沖蝕磨損機理。單位時間、單位面積內(nèi)的質量磨損率W(單位：kg/m2?s)的完整表達式為：

式中：E—無因次量，表示磨損量；n—單位時間內(nèi)碰撞壁面的顆粒個數(shù)；A—磨損面積。

磨損量表達式為：

式中：K—隨粒子形狀改變而改變的參數(shù)（作用在粒子上的垂直分量與水平分量之比）；c—有效沖擊粒子比例；ψ—切削長度與深度比；σf—材料塑性流動應力；v—顆粒速度；m—顆粒質量；f(γ)—無因次函數(shù)，表示碰撞角度的作用。

無因次函數(shù)f(γ)的表達式如下：

式中：α—顆粒碰撞角度，α0—臨界入射角度，ρ—加工表面材料密度。

Hashish修正了Finnie磨損模型，改進了其中的速度指數(shù)，加入了粒子形狀的影響。改進后的模型為：

由于Hashish模型不需要試驗常數(shù)，使用起來更為方便。該模型在考慮速度系數(shù)的同時包含了顆粒形狀的影響，因此，該模型同樣適用于塑性材料低沖擊角的磨損情況。

2 磨粒磨損的有限元分析

2.1 有限元分析簡介

有限元分析不僅計算精度高，而且能適用于各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。而其中，將有限元用于銑削、磨削等切削過程的研究成為一種高效的數(shù)值分析方法。ABAQUS就是其中一款具有強大有限元分析功能的軟件，該軟件在非線性分析領域得到了廣泛的運用，近些年被廣泛運用在接觸磨損問題的處理領域。

2.2 有限元分析模型

本研究利用ABAQUS仿真軟件對磨粒撞擊壁面的過程進行了建模仿真。磨粒與加工壁面分別采用顯性線性三維應力單元C3D4和隱性線性三維縮減積分單元C3D8R，加工壁面中心撞擊部分對其進行加密處理，確保計算結果精確可靠。

有限元單元實體網(wǎng)格劃分如圖2所示，加工壁面有23 130個有限元單元，磨粒為1 357個有限元單元。由于本次研究模型為軸對稱模型，邊界條件也是軸對稱，研究者可以取模型的一半進行建模分析，此處取整個球體和鋼板的一半進行建模。加工鋼板的尺寸為 500μm×250μm×60μm ，球體的半徑為50μm，對球體約束成剛體。

圖2 有限元單元的網(wǎng)格

本研究實際使用的加工表面的材料為45鋼，其材料參數(shù)如表1所示。沖擊磨粒為Si C，材料參數(shù)如表2所示。為減少計算時間，這里采用剛性模型。

表1 45材料參數(shù)

2.3 有限元分析結果

赫羅紹夫［13］認為，磨粒磨損是由于金屬表面發(fā)生微觀切削作用，相對滑動時磨粒對表面產(chǎn)生犁刨作用，在加工表面形成磨損。在固液兩相流加工中，由湍流所產(chǎn)生的無規(guī)律運動會使磨粒與加工表面做不同運動，磨粒對加工表面的撞擊會以沖蝕磨損的形式造成材料去除。

為了真實反映實際加工中顆粒對加工表面發(fā)生的微觀切削作用，本研究選擇實際加工實驗中的SiC作為磨粒對45鋼的加工表面進行磨削仿真。在使用ABAQUS軟件過程中，需更好地顯示磨粒撞擊加工壁面的磨損效果，并且在實際加工中速度必須大于70m/s才能形成湍流，因此根據(jù)以上條件，本研究把磨粒速度選擇為平動，速度為150m/s，磨粒與加工表面的接觸時間為4E－5 s。因為磨粒的切削作用時間短，接觸應力大，為了更好地反映磨粒加工表面的效果，本研究只考慮單顆粒磨粒的撞擊。

加工表面的塑性變形過程如圖3所示。從圖3中可以看出，磨粒先跟加工表面接觸，加工表面開始出現(xiàn)塑性變形，隨著接觸的加深，塑性變形變得越來越明顯。當不同速度方向的磨粒撞擊同一加工位置時，加工表面出現(xiàn)刮痕，最終實現(xiàn)無工具緊密加工效果。在磨粒與加工表面接觸過程中，磨粒會對材料較軟的被加工面產(chǎn)生碾壓的作用，使得塑性變形面積不斷增大。當磨粒離開加工表面以后，被加工表面的接觸應力逐漸減小，塑性變形的面積不再變化。實際固液兩相流無工具精密加工中，SiC顆粒在湍流的作用下，對加工表面進行多角度頻繁的作用，法向載荷將磨粒壓入表面，相對滑動時顆粒對表面進行塑性變形，水平載荷使得磨粒與加工表面產(chǎn)生切削磨損。

圖3 加工表面的塑性變形過程

通過仿真實驗可以很好地反映出加工表面在塑性磨損和切削磨損的共同作用下，最終實現(xiàn)固液兩相流無工具精密光整加工的結果。

3 實驗設計

3.1 實驗平臺

固液兩相流精密光整加工實驗平臺由電氣控制柜、溶液箱、計量泵、試驗工作臺四大部分及整套管路閥門及附屬部件組成，其實物圖如圖4所示［14］。

圖4 固液兩相流精密光整加工實驗平臺實物圖

固液兩相流精密光整加工實驗平臺的特點有：①液固兩相磨粒流混合均勻；②磨粒流可以循環(huán)使用；③切削金屬屑回收；④壓力流量可調，可以提供液－固兩相磨粒流的模具結構化表面精密加工所需的湍流條件；⑤可以更換不同的約束模塊。

實驗平臺的液固兩相磨粒流循環(huán)動力采用隔膜泵，排出最大壓力為10 MPa，泵速為102次/分，最大流量為240 L/h。夾具的設計采用了啞鈴型流道，中部為矩形通道，可以放置尺寸為100mm×10mm×5mm的試件。

該實驗采用試件100mm×10mm×5mm，材料為45#鋼，試驗前將試件表面研磨加工至均勻粗糙度Ra=0.8 15μm，如圖5所示。

圖5 加工前的試件

3.2 實驗結果及分析

本研究啟動整個試驗系統(tǒng)平臺，按以下步驟進行試驗：①先開啟攪拌器，攪拌數(shù)分鐘后基本均勻；②啟動計量泵，泵運行為往復性柱塞向后移動產(chǎn)生增壓，每分鐘的往復次數(shù)由流量調節(jié)而定，同時壓力表顯示壓力也隨流量調節(jié)而變化。

每經(jīng)過一段時間的試驗之后，本研究從約束模塊中取出試件進行測試，獲得的數(shù)據(jù)后再放回約束模塊中，然后在這個基礎上再繼續(xù)進行一段時間加工，條件不變，如此重復數(shù)次后，最終獲得試驗數(shù)據(jù)結果，如表3所示。獲得的試件粗糙度變化圖，如圖6所示。

表3 試件加工前后的粗糙度對比

固液兩相流拋光效果跟多方面因素有關，包括磨粒濃度、磨粒速度、加工時間都直接影響拋光效果。本次試驗是在低濃度磨粒流作用下，顆粒速度通過計量泵使磨粒的平均速度控制在跟仿真結果相同，基本在150m/s左右。由于試驗中排除了磨粒濃度與速度的影響，這里只需通過加工時間來直接反映試件的拋光效果。

圖6 試件粗糙度變化圖

比較圖5和圖7中試件加工前后的表面效果可以看到，試件進行加工以后，隨加工時間的增加，加工表面變得光亮，表面粗糙度大大降低，表面不再出現(xiàn)明顯的紋理，由此可見光整加工效果明顯。

圖7 試件加工后表面效果圖

通過TR粗糙度儀對加工表面進行粗糙度測速，本研究可以得到：隨著加工時間的增加，試件表面的粗糙度由原來的0.815μm下降到加工后的0.062 0μm，可以證明固液兩相流中，在湍流作用下隨時間變化，磨粒逐漸表現(xiàn)出均勻性和無序性，從而大大提高了拋光效果。從提高的拋光效果也可以直接證明，使用ABAQUS仿真軟件進行仿真實驗具有可行性。

4 結束語

本研究采用有限元分析軟件ABAQUS，對磨粒作用加工壁面進行了分析，并進行了實驗，可以得到以下結論：

（1）通過有限元分析軟件ABAQUS可以從微觀角度直觀地觀察到：磨粒在水平切削力和豎直方向的擠壓力作用下，造成加工面的磨損最終在多磨粒的頻繁多角度作用在同一加工位置，完成對加工表面的精加工作用。這個結果與赫羅紹夫的磨損理論是一致的。這說明通過使用ABAQUS軟件可以精確地分析出微觀狀態(tài)下固液兩相流的加工機理，可為進一步研究固液兩相流精密加工提供理論依據(jù)。

（2）在實際加工過程中，隨著加工時間的增加，加工壁面表面粗糙度不斷得到提高，拋光效果明顯。這說明磨粒隨時間變化在固液兩相流中逐漸變得均勻和無序，從而可以有效提高被加工表面的加工質量。

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