單顆CBN磨粒微切削硬質合金YG8磨損研究

陳凱，楊長勇，高紹武，丁文鋒，祝丞

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

航空發動機燃油噴口是航空發動機的重要部件之一。噴口的作用是將液體燃料霧化成小液滴，提高液體燃料的燃燒性能[1]。針對噴口的精密加工，可考慮采用鉸珩工藝。鉸珩加工是磨粒加工的一種，可獲得極高的尺寸一致性、形狀精度(圓柱度可達0.5μm)和表面質量，已廣泛應用于液壓領域精密孔的加工中。然而，噴口等微小孔加工用的鉸珩工具直徑小、長徑比大，剛度差，若采用金剛石滾輪或碟輪修整[2-3]，工具單邊受力易引起變形，無法保障其修整精度。因此，一般采用工具來加工高硬度工件，從而實現鉸珩工具的修整，這也是目前較為可行的柔性鉸珩工具精密修整方法。然而，目前有關微小孔鉸珩工具表面上磨粒的形貌演變鮮有報道，切削參數對于磨粒磨損量的影響趨勢也尚未明確，這也是本文需解決的問題。

隨著計算機技術的迅速發展，有限元仿真逐步應用于金屬切削機理的研究中。由于磨粒的磨損涉及材料的變形和破碎，若是采用有限元網格法則會造成網格單元畸變，很可能導致計算終止；而采用光滑粒子流體動力學法(SPH)，則能夠應對磨粒的大變形問題，因為其依賴離散的攜帶材料屬性的粒子進行數值模擬，且在單顆磨粒切削機理和切削力的研究中已得到廣泛應用[4-5]。

因此，本文采用SPH法建立單顆磨粒切削仿真模型，并進行試驗驗證，以研究CBN磨粒微切削高硬度工件YG8時的磨損特性，為鉸珩工具的修整研究奠定基礎。

1 仿真模型建立

在建模仿真時，若是將被加工內孔沿某一母線展開，則能夠將磨粒的旋轉運動轉化為直線運動。通常情況下，使用SPH法建模時都將工件設置成SPH粒子，采用有限元網格對鉸珩工具進行建模；本文反其道而行之，鉸珩工具由SPH粒子進行填充，而工件采用網格進行劃分。建立如圖1所示的單顆CBN磨粒幾何模型[6]，其中：磨粒的高度為20 μm；鈍圓半徑為1μm[7]；前角為-45°。單顆CBN磨粒微切削YG8的切削仿真模型如圖2所示，磨粒由SPH粒子進行填充。

圖1 磨粒幾何模型

圖2 單顆CBN磨粒微切削仿真模型

2 試驗驗證

針對建立的仿真模型，開展了對單顆磨粒微切削的試驗驗證。其試驗裝置如圖3所示，單顆CBN磨粒粒度代號40/45，用Ag-Cu-Ti釬料，爐中焊于45鋼材料基體上，制備單顆磨粒工具，固定于夾具之上，并且使用KISTLER 9272測力儀進行對刀。工件為直徑φ8mm的硬質合金YG8，作旋轉和進給運動。

圖3 單顆磨粒微切削試驗裝置

CBN磨粒在切削速度0.2m/s、切削深度1μm、切削寬度3μm時，磨粒最終的形貌如圖4所示。可以看出：磨粒在切削刃處應變較大，導致其發生微破碎。此外，磨粒在相同的工藝參數下，磨粒的實際磨損形貌如圖5所示。試驗結果表明：CBN磨粒在微切削硬質合金YG8時，其切削刃處出現明顯的微破碎磨損；而在試驗中的磨損面積較仿真更大，這是由于試驗中的單次切深為1μm，進行多次徑向進給才能去除一定體積的工件材料；當累積進給量增大時，磨粒與工件的接觸面積增大，也就造成了磨損區域面積的增大。然而，從磨粒磨損形式的角度看，依舊可以說明其發生了微破碎磨損，即實現了對仿真模型的驗證。

圖4 仿真中的磨粒磨損形貌

圖5 試驗中的磨粒磨損形貌

此外，磨削比是評價砂輪磨削性能的重要指標，能夠反映出砂輪的耐磨性。本文定義磨削比為磨粒去除的工件材料體積與磨粒磨損體積的比值，用來表征單顆磨粒的耐磨性。仿真與試驗的磨削比對比如圖6所示：切寬為2μm時，試驗中計算的磨削比為1007，仿真的結果為774，誤差為23.1%；增大切寬到3μm時，磨粒的切削截面積增大，磨損量增大，試驗的磨削比降到757，仿真的結果為589，降低了22.2%。這在一定程度上說明了仿真結果的可靠性。

圖6 仿真與試驗磨削比對比

3 仿真結果及分析

3.1 CBN磨粒的形貌演變

CBN磨粒在切削速度為0.8m/s、切削深度為2μm、切削寬度為2μm時，磨粒的形貌演變過程如圖7所示。當累積材料去除體積為50 μm3時，有SPH粒子掉落，磨粒開始出現微破碎(圖7(a))；隨著累積材料去除體積增大，磨粒不斷發生微破碎磨損，切削刃處形貌逐漸發生細微改變(圖7(b)、圖7(c))；當累積材料去除體積為200 μm3時，磨粒的徑向磨損量顯著(圖7(d))；當累積材料去除體積從250μm3增加到300 μm3時，磨粒磨損體積持續增大，磨粒出現大應變，其徑向磨損量也增大(圖7(e)、圖7(f))。因此，在整個微切削過程中，隨著累積材料去除體積的增大，磨粒的磨損體積和徑向磨損量也隨之增大。

圖7 CBN磨粒形貌演變

3.2 磨粒的磨損速率

為進一步研究磨粒的磨損速率，分析了仿真中單顆磨粒磨損體積的變化情況，在切削速度為0.8m/s、切削深度為2μm、切削寬度為2μm時，相對磨損量隨切削時間的變化趨勢如圖8所示，其中磨粒的相對磨損量即磨粒磨損體積的百分比。可以看出：當累積材料去除體積在0～350 μm3時，磨損曲線的斜率較大，表明磨粒在第一階段的磨損速率較快；當累積材料去除體積在350～630 μm3時，磨粒的磨損曲線斜率也較為平緩，即磨粒在第二階段中磨損速率很慢。

在第一階段中：一方面磨粒對工件進行了沖擊；另一方面磨粒自身的缺陷(空位、位錯)，致使其在切削過程中容易發生破碎，因此磨損速率較快。而磨粒在歷經第一階段的磨損后，其結構更為穩定，持續的微破碎導致磨粒的徑向磨損量不斷增大，在微切削的工況下，磨粒的實際切深減小。因此在第二階段，磨粒呈現出較慢的磨損趨勢。

圖8 累積材料去除體積對磨粒相對磨損量的影響

3.3 切削參數對CBN磨粒相對磨損量的影響

圖9給出了材料去除體積為335μm3和261μm3時磨粒相對磨損量隨切削深度和寬度變化的曲線。由圖9(a)可知：材料去除體積為335μm3，切削深度在1.0～3.0 μm變化時，切削深度增大，磨粒的相對磨損量從0.141%增大到0.254%；而當切削深度為4.0 μm時，相對磨損量反而會減小到0.24%；材料去除體積為261μm3時的相對磨損量變化情況與335μm3時的相似。此外，切削寬度對磨粒的相對磨損量影響也是如此。這是因為：伴隨著切削深度或切削寬度增加，磨粒的切削截面積增大，切削力增大，導致磨粒的相對磨損量增大；然而在相同的材料去除體積下，切削截面積的增大，導致磨粒的切削行程減少。所以，當切削深度或切削寬度增大時，磨粒的相對磨損量呈現先增大后減小的趨勢，即切削力和切削行程相繼對磨粒的相對磨損量起主導作用。

圖9 切削參數對磨粒相對磨損量的影響

4 結語

文中建立了基于SPH法的單顆CBN磨粒微切削硬質合金YG8的仿真模型，并通過其SPH粒子的掉落定量表征磨粒的磨損量，還對模型進行了試驗驗證，得出如下結論：

1) CBN磨粒微切削硬質合金YG8時，磨粒在切削刃處的大應變導致其磨損，磨損形式主要為微破碎；隨著累積材料去除體積的增大，磨粒的相對磨損量隨之增大，且磨損速率先快后慢。

2) 在相同的累積材料去除體積下，隨著切削寬度和切削深度增加，由于切削力和切削行程相繼起主導作用，磨粒的相對磨損量呈現先增大后減小的變化趨勢。