微結(jié)構(gòu)模具磨削加工仿真分析范文

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《工具技術(shù)雜志》2016年第二期

摘要:

微結(jié)構(gòu)工件在磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將導(dǎo)致工件變形，表面機(jī)理受到破壞，嚴(yán)重影響其工作性能和加工精度。本文采用實(shí)驗(yàn)與回歸法相結(jié)合推導(dǎo)了超硬材料SiC的磨削力公式，找出影響磨削力大小的相關(guān)因素。為分析V形槽結(jié)構(gòu)磨削加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，提出了V形槽結(jié)構(gòu)磨削加工有限元建模方法。同時(shí)，采用不同數(shù)值的磨削深度進(jìn)行模擬，以分析磨削用量對(duì)殘余應(yīng)力大小的影響，為磨削過(guò)程中參數(shù)選取、殘余應(yīng)力分析提供參考。

關(guān)鍵詞:

微結(jié)構(gòu);磨削加工;應(yīng)力;仿真分析

1引言

微結(jié)構(gòu)工件的性能一般取決于微結(jié)構(gòu)表面模具的質(zhì)量，常用于對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合。為保證模具的使用壽命和精度的長(zhǎng)期一致性，目前微結(jié)構(gòu)加工模具的材料正在由傳統(tǒng)的模具鋼向具有高硬度、耐磨損、耐高溫的超硬材料發(fā)展［1］。超精密磨削是超硬材料微結(jié)構(gòu)最有效的加工方法，可獲得較高的尺寸精度，但往往因存在殘余應(yīng)力，使加工表面的完整性受到破壞，易產(chǎn)生裂紋等缺陷［2］，如圖1所示。這對(duì)模具的疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性、耐磨度等都有很大的影響，進(jìn)而影響了模具自身壽命以及微結(jié)構(gòu)工件的加工精度。因此，如何預(yù)防和減小磨削加工過(guò)程微結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，減輕工件表層損傷是研究人員普遍關(guān)注的問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］研究了磨削參數(shù)對(duì)超硬模具微結(jié)構(gòu)表面粗糙度的影響規(guī)律，提出了磨削軌跡不相同是導(dǎo)致磨削后階梯光柵表面質(zhì)量不均勻問(wèn)題的主要原因。文獻(xiàn)［4］基于最小二乘法建立了表面顯微硬度多元回歸預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)低膨脹微晶玻璃點(diǎn)磨削試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性。文獻(xiàn)［5］結(jié)合目前微結(jié)構(gòu)元件模具的超精密加工技術(shù)，詳細(xì)分析了更適合于微結(jié)構(gòu)光學(xué)模具的超精密磨削方法、磨削工具、磨削軌跡規(guī)劃方法以及具有更高精度和效率的精密修整技術(shù)，為微結(jié)構(gòu)模具磨削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)指明了方向。通過(guò)對(duì)磨削加工過(guò)程進(jìn)行分析，采用經(jīng)驗(yàn)公式法與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)磨削力進(jìn)行建模，利用回歸法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后推導(dǎo)出實(shí)際的磨削力公式。根據(jù)超硬材料的加工特點(diǎn)，建立了以SiC為材料的V形槽工件的有限元模型。同時(shí)，在不同磨削條件下進(jìn)行仿真分析，得到磨削加工殘余應(yīng)力大小及其分布規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果，可模擬實(shí)際加工過(guò)程中工件所受應(yīng)力的大小，更直觀(guān)地看出表面結(jié)構(gòu)變化情況，從而及時(shí)采取預(yù)防措施，為提高模具表面質(zhì)量和疲勞強(qiáng)度、增加工作穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

2V型槽工件磨削力分析

在磨削加工過(guò)程中，在磨削力和高溫作用下，工件將產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，這也是工件變形的主要原因。磨削用量、工作臺(tái)進(jìn)給速度以及砂輪線(xiàn)速度是衡量磨削力的主要性能指標(biāo)，決定了磨削力數(shù)學(xué)模型的建立以及后續(xù)對(duì)殘余應(yīng)力的仿真工作。磨削力主要包括切向磨削力Ft、法向磨削力Fn及軸向磨削力Fa，在對(duì)V形槽進(jìn)行磨削時(shí)，V形槽兩個(gè)側(cè)面上受到的軸向力相同，可相互抵消，故本文只對(duì)切向磨削力和法向磨削力進(jìn)行研究［7］。V形槽磨削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。采用M7140臥式平面磨床為加工設(shè)備，主軸轉(zhuǎn)速為3750r/min，以SiC作為實(shí)驗(yàn)材料，密度為3.18g/cm3，平均粒度大小為8μm，平均維氏硬度為2680kgf/mm2，彈性模量為410GPa，金剛石砂輪粒度為400目。分別取兩組不同的磨削深度、砂輪線(xiàn)速度以及工作臺(tái)進(jìn)給速度進(jìn)行組合，得到4組不同的參數(shù)序列(見(jiàn)表1)。

3仿真分析

(1)三維模型建立微結(jié)構(gòu)工件的三維模型，模型尺寸為100mm×40mm×20mm，V形槽共5個(gè)，深度為1mm，如圖3所示。(2)網(wǎng)格劃分為提高仿真計(jì)算速度和準(zhǔn)確性，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將三維模型先進(jìn)行分區(qū)，離加工表面近的區(qū)域網(wǎng)格劃分細(xì)密，遠(yuǎn)離力源加載的區(qū)域網(wǎng)格劃分稀疏［8］，如圖4所示。(3)仿真分析殘余應(yīng)力是法向磨削力的作用而產(chǎn)生的［9，10］，故本研究只對(duì)法向磨削力進(jìn)行分析。為便于分析，仿真過(guò)程中忽略V槽形狀對(duì)磨削力的影響以及磨削過(guò)程中砂輪的磨損。取砂輪的直徑為150mm，磨削深度0．02mm，工件進(jìn)給速度為0．05m/min，砂輪線(xiàn)速度為1920m/min，V形槽兩邊夾角為120°，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)SiC材料的V形槽磨削加工過(guò)程進(jìn)行殘余應(yīng)力場(chǎng)分析。加工2個(gè)和5個(gè)槽時(shí)的應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖5－圖7。從仿真結(jié)果可知，磨削過(guò)程中工件會(huì)受到應(yīng)力作用，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在砂輪切出工件的時(shí)刻，主要分布在V形槽底部、頂部以及工作底部的邊緣區(qū)域。隨著已加工V形槽個(gè)數(shù)的增加，殘余應(yīng)力逐漸累加，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)磨削全部完成時(shí)，中間的V形槽所受應(yīng)力比兩側(cè)V形槽小，這是因?yàn)榧庸ず竺鎂形槽時(shí)對(duì)前面應(yīng)力有一定的釋放作用。影響工件表面質(zhì)量的主要是V形槽附近的應(yīng)力，應(yīng)力集中使工作表面產(chǎn)生裂紋和變形，導(dǎo)致成圖1所示狀態(tài)，直接影響了模具的加工質(zhì)量和使用壽命。(4)磨削用量對(duì)殘余應(yīng)力影響由于工作臺(tái)進(jìn)給速度一般固定不變，砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響較小，故本研究主要考慮磨削深度對(duì)工件殘余應(yīng)力的影響。保持工作臺(tái)的進(jìn)給速度和砂輪線(xiàn)速度不變，分別選取磨削深度為0．1mm、0.2mm和0．3mm三個(gè)工況進(jìn)行仿真分析，則磨削完成后殘余應(yīng)力分布情況如圖8－圖10所示。可見(jiàn)，在對(duì)V形槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行磨削加工時(shí)，工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小隨磨削深度增加而增大。這說(shuō)明隨著磨削深度的增加，所用磨削力也逐漸增大，導(dǎo)致工件殘余應(yīng)力增大。同樣，隨著V形槽結(jié)構(gòu)尺寸的加大，將更易于殘余應(yīng)力的釋放，也將引起工件表面破損和變形。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)微結(jié)構(gòu)工件在磨削加工過(guò)程中存在的問(wèn)題，本研究以V形槽結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)與回歸法推導(dǎo)出SiC磨削力經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)有限元分析軟件對(duì)了V形槽磨削加工過(guò)程殘余應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，最后通過(guò)改變磨削深度的方法研究了磨削用量對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。本研究結(jié)果為合理選擇微結(jié)構(gòu)磨削加工的參數(shù)、有效減小加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、提高工件的工作性能和表面精度提供借鑒，有一定的實(shí)用價(jià)值。

作者：劉雅榮 單位：長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院