薄板零件磨削變形有限元仿真

朱傳敏 胡驍

摘 要：航空航天設(shè)備中常用到一些高精度薄板零件，如各類密封圈和墊片，這類零件對(duì)表面質(zhì)量和形狀精度有極高的要求。磨削常被作為薄板類零件的最終加工工序，磨削加工引起的零件變形會(huì)直接影響零件表面的形狀精度與使用性能。目前對(duì)薄板零件磨削變形的研究多針對(duì)如何抑制與補(bǔ)償，對(duì)薄板零件磨削變形的機(jī)理研究尚存不足。文中借助Abaqus軟件建立薄板零件平面磨削有限元模型，計(jì)算磨削造成的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，經(jīng)過(guò)與中厚板的仿真結(jié)果比較分析，探討了薄板零件磨削變形的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：薄板零件;磨削加工;有限元仿真;航空航天;Abaqus;ANSYS仿真

中圖分類號(hào)：TG582文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

薄板零件常用于航空航天設(shè)備中，需要極高加工精度，相比于大厚度零件的磨削加工，在磨削過(guò)程中，薄板零件散熱條件差，磨削熱本身會(huì)引起厚度方向的不均勻膨脹，造成磨削深度的變化。磨削溫度同時(shí)會(huì)提高材料塑性性能，在磨削力作用下材料更易發(fā)生塑性形變，磨削過(guò)程中的熱力耦合是導(dǎo)致薄板零件磨削變形的原因，而熱力耦合作用的機(jī)理十分復(fù)雜，目前的研究尚存不足。

基于Malkin磨削能量分配比例相關(guān)研究成果[1]，部分學(xué)者將磨削熱等效為傳入工件熱流密度，在ANSYS仿真軟件中加載移動(dòng)熱流密度，較為準(zhǔn)確地仿真了磨削中瞬態(tài)溫度

場(chǎng)[2-3]。Junming[4-5]等學(xué)者運(yùn)用單砥礪切削模型計(jì)算單個(gè)磨粒在切削過(guò)程中的力和熱，并基于砥礪分布模型建立了較為準(zhǔn)確的磨削熱力耦合模型，用來(lái)預(yù)測(cè)磨削力與磨削溫度。以上研究中，ANSYS進(jìn)行移動(dòng)熱源加載略過(guò)了磨削熱的產(chǎn)生機(jī)理，而單砥礪切削模型無(wú)法反映砂輪的實(shí)際磨削過(guò)程與多砥礪的交互作用效果，無(wú)法解釋磨削變形。

本文借助Abaqus軟件建立薄板零件平面磨削有限元模型，計(jì)算磨削造成的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，經(jīng)過(guò)與中厚板的仿真結(jié)果比較分析，探討了薄板零件磨削變形的機(jī)理。

1 砂輪的砥礪分布

在進(jìn)行多砥礪砂輪模型建模前，需要對(duì)砂輪表面的砥礪分布情況進(jìn)行計(jì)算，磨粒的等效直徑dave（單位：mm）和濃度Vg決定了砥礪的分布間距和分布數(shù)量[6]。

式中：M為砂輪的粒度;S為砂輪的組織代號(hào)。若砂輪半徑R與厚度H已知，磨粒的平均間距L，圓周上的磨粒數(shù)N1和寬度方向上的磨粒數(shù)N2可以計(jì)算：

型號(hào)為WA46K5V35的白剛玉砂輪的磨粒等效直徑dave=320 μm，磨粒平均間距L=385 μm，磨粒的頂尖角，多為90～120°，因此本文的砥礪形狀采用頂尖角為100°的三角形砥礪。

2 有限元仿真

2.1 薄板零件平面磨削幾何模型45#鋼的材料參數(shù)見(jiàn)表1所列。

仿真模型如圖1所示，由于不研究砂輪的受熱、磨損，因此將砂輪整體與砂輪中心的參考點(diǎn)進(jìn)行剛體約束。零件大小為10 mm×2 mm的薄板，砂輪直徑為80 mm，邊緣分布高度為100 μm，間距為385 μm，頂角100°的三角形砥礪。工件表面與砥礪尖端的網(wǎng)格的基本尺寸為5 μm，其余區(qū)域單元逐步放大。以盡可能減少網(wǎng)格數(shù)量。網(wǎng)格類型為CPE4RT，用于顯式熱力耦合計(jì)算。以砂輪中心為參考點(diǎn)，賦予中心參考點(diǎn)RP角速度ω=312.5 rad/s，順磨，平動(dòng)速度33.3 mm/s，等效于砂輪線速度vs=25 m/s，vw=2 m/min。砥礪與工件最大干涉量作為磨削深度ap=15 μm，約束工件的底部以模擬磁臺(tái)的裝夾效果。在砂輪進(jìn)給完成后，取消底面的固定約束，并固定薄板零件的一個(gè)端面，仿真卸除磁臺(tái)裝夾的效果，進(jìn)行第二步仿真計(jì)算，薄板零件平面磨削有限元模型如圖1所示。

2.2 磨削溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析

在仿真過(guò)程中某一時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖如圖2所示，更改零件的厚度至15 mm，相同的仿真參數(shù)下，得到中厚板磨削某一刻的瞬態(tài)溫度場(chǎng)如圖3所示，按圖2和圖3的方法選取厚度方向的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，讀取其溫度計(jì)算結(jié)果，得到其溫度與深度的關(guān)系，如圖4所示。

薄板零件在磨削過(guò)程中，加工表面的溫度較高，而底部的溫度保持室溫，這使得薄板零件內(nèi)的溫度場(chǎng)隨深度急劇變化，2 mm內(nèi)的溫差可達(dá)250 ℃，溫度場(chǎng)的梯度很大。與薄板相比，中厚板的表面磨削溫度稍低，熱邊界較大，磨削熱可以向零件內(nèi)部傳導(dǎo)，磨削溫度隨深度的變化較為平緩。當(dāng)磨削加工結(jié)束后，薄板零件的最終溫度場(chǎng)云圖如圖5所示。薄板零件被磨削熱整體加熱至約150 ℃，磨削起始點(diǎn)開(kāi)始自然冷卻。由于工件的熱邊界較小，磨削熱無(wú)法向外擴(kuò)散，整個(gè)薄板零件都受到了磨削熱影響。

2.3 磨削殘余應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果分析

磨削造成的殘余應(yīng)力主要包含磨削熱導(dǎo)致的熱殘余應(yīng)力，與磨削力導(dǎo)致的切削殘余應(yīng)力[7]。薄板零件的磨削變形主要表現(xiàn)在長(zhǎng)度方向上的翹曲，磨削加工后，主要關(guān)注長(zhǎng)度方向上的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，其應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖6所示，相同仿真條件下中厚板的應(yīng)力場(chǎng)如圖7所示。提取厚度方向的若干節(jié)點(diǎn)，得到殘余應(yīng)力與深度的關(guān)系如圖8所示。

由應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，磨削加工在薄板零件的表面上留下了較大的殘余拉應(yīng)力，而表面以下拉應(yīng)力逐漸減少，并逐漸過(guò)渡為殘余壓應(yīng)力。中厚板表面同樣存在殘余拉應(yīng)力，但應(yīng)力值比薄板較小。表面以下拉應(yīng)力逐漸減小，轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，但隨著深度繼續(xù)增大，殘余應(yīng)力逐漸消失。中厚板在表面以下應(yīng)力分布的范圍比薄板大，而應(yīng)力值比薄板低[8]。

2.4 薄板零件磨削變形仿真結(jié)果分析

在仿真的第二步中，卸除了底部的固定約束，改為固定零件的一端，讓薄板零件在溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的作用下自由形變，得到如圖9的形變場(chǎng)云圖。薄板零件的最大翹曲變形量約為0.028 mm，而此時(shí)的殘余應(yīng)力云圖如圖10所示[9]。

由殘余應(yīng)力云圖可見(jiàn)，應(yīng)力值比卸除底部約束前大大降低，表面的殘余拉應(yīng)力降低至約40 MP，而零件中間層出現(xiàn)了約40 MP的殘余壓應(yīng)力層，零件在彎曲后保持自身應(yīng)力平衡的狀態(tài)。對(duì)比薄板，中厚板在卸除裝夾后的形變場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖11和12所示。中厚板在卸除裝夾力后沒(méi)有發(fā)生變形，其殘余應(yīng)力與卸除前相比沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。表層與表層之下的殘余應(yīng)力都略微地降低，裝夾力的卸除對(duì)中厚板沒(méi)有顯著影響[10]。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）薄板零件在磨削加工中的磨削溫度高于中厚板，且溫度場(chǎng)梯度極大，中厚板有足夠的傳熱空間，其溫度場(chǎng)變化較為緩和;

（2）磨削溫度場(chǎng)在薄板中形成了較高的熱殘余應(yīng)力，零件表面表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。表面之下，隨著深度增大，拉應(yīng)力逐漸減小，轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并隨深度逐漸增大。中厚板的表層應(yīng)力分布與薄板相似，表面之下，應(yīng)力分布的范圍更大，殘余應(yīng)力值比薄板小。隨著深度進(jìn)一步增大，殘余應(yīng)力逐漸消失;

（3）卸除裝夾力后，薄板由于應(yīng)力釋放發(fā)生了翹曲變形，變形后薄板零件內(nèi)的殘余應(yīng)力大大降低。裝夾力對(duì)中厚板的影響較低，其應(yīng)力分布與卸除前沒(méi)有顯著的變化，中厚板沒(méi)有發(fā)生磨削變形。

綜上所述，磨削熱導(dǎo)致的熱殘余應(yīng)力是薄板零件磨削變形的重要原因，薄板由于熱邊界過(guò)小，所以整體都受到了熱殘余應(yīng)力的影響。由于零件自身的剛度較低，表層過(guò)大的殘余拉應(yīng)力無(wú)法靠自身平衡。因此卸除裝夾力后，應(yīng)力釋放導(dǎo)致了薄板零件的顯著翹曲。

參 考 文 獻(xiàn)

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