超高速点磨削中切削速度对工件残余应力的影响.pdf

工艺与检测T 蝴a n d T 嘲 超高速点磨削中切削速度对工件 残余应力的影响4 刘月明巩亚东仇健 东北大学机械工程与自动化学院 辽宁沈阳1 1 0 0 0 4 摘要 结合超高速切削中能量分配的基本原理 得出切削速度与工件残余应力的关系 将超高速点磨削的 模型进行转化 形成单个磨粒切削的几何模型 利用A b a q u s E x p l i c i t 有限元法对切削过程进行仿 真 得出已J j r 表面的残余应力随磨粒切削速度改变和深度改变的变化情况 为超高速点磨削实现 高精度J j 口3 奠定理论基础 关键词 超高速点磨削残余应力切削速度 T h eR e s i d u a lS t r e s sA f f e c t e db yM a c h i n i n gV e l o c i t yi nS u p e r h i g hP o i n t g r i n d i n g L I UY u e m i n g G O N GY a d o n g Q I UJ i a n S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g A u t o m a t i c N o r t h e a s tU n i v e r s i t y S h e n y a n g1 10 0 0 4 C H N A b s t r a c t W i t ht h eb a s i cp r i n c i p l eo fe n e r g yd i s t r i b u t i o ni ns u p e rh i g hm a c h i n i n g t h er e l a t i o nb e t w e e nm a c h i n i n g v e l o c i t yw i t hr e s i d u a ls t r e s s c o u l db ec o n c l u d e d T h em o d e li ns u p e r h i g hp o i n t g r i n d i n gw a st r a n s f o r m e di n t ot h eg e o m e t r i c a lm o d e lu s e di nm a c h i n i n gw i t hp e ra b r a s i v eg r a i n As i m u l a t i o nm o d e lu s i n g e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tA b a q u sW a sd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h er e s i d u a ls t r e s s Sd i s t r i b u t i o ni nam a c h i n e dl a y e rw h i l ed i f f e r e n tm a c h i n i n gv e l o c i t ya n dd i f f e r e n td e p t hi nm a c h i n e ds u r f a c e w h i c hp r o v i d e t h et h e o r yt oa c h i e v eh i g hp r e c i s i o nm a c h i n i n gi ns u p e r h i g hp o i n t g r i n d i n g K e y w o r d s S u p e r h i g hP o i n t g r i n d i n g R e s i d u a lS t r e s s M a c h i n i n gV e l o c i t y 超高速磨削在磨削领域具有众多的优势 是可以 实现高效率和高精度的切削加工 J 已经被专业人士 所认可 而目前在磨削领域正兴起一种基于超高速磨 削的点磨削技术 在磨削外圆的加工中 利用超薄砂轮 轴线和工件轴线之间的夹角O L 2 3J 使砂轮周边与工件 的母线实现了点接触 减小了砂轮和工件的接触面积 目前国内对于超高速点磨削技术的理论研究开展并不 多 而本文将重点关注在超高速点磨削下砂轮线速度 对已加工工件的表面质量的影响 文献 4 中曾利用 分子动力学来模拟单个磨粒切削时的成屑机理和对表 面质量的影响 文献 5 中在微观结构下仿真车削过 程 用能量分配的方法来估计已加工表面的残余应力 的大小 很多学者为了避免仿真困难 刀具采用了正 法前角 而在磨削中 单个磨粒切削的情况下 必须采 用负的法前角来进行仿真 本文利用了A b a q u s E x p l i c i t 软件 充分考虑到磨粒和工件的物理学性能 进 行了二维的金属切削的有限元模拟 采用方法简单 高 国家自然科学基金项目 5 0 7 7 5 0 3 2 效 所得结论可以为理论研究和工程实验作为指导 l 超高速切削中能量分配基本原理 在超高速金属切削加工中 对于大多数韧性材料 来说 材料去除首先要发生的是材料的塑性流动 特别 适用于负前角切削 从能量观点来看 去除材料所需 要的能量是发生弹性形变和塑性形变能量的总和 J 1 r e f E E e 2 E 8 8 r 一占 K I 占 d 8 1 二 Js 式中 E 为弹性模量 K 为材料特性系数 占 为弹性极 限 毋为断裂极限 佗为硬度相关系数 塑性形变需要的能量表现在式1 中的第二部分和 第j 部分 这部分变形消耗了切削总能量的9 0 而 这部分能量中的大部分又转化成了热量o 对整个加 工系统和工件的已加工表面质量产生影响 同时工件 的塑性变形可以对工件的最终表面质量产生一定影 响 以上分析得出 在已加工表面要想得到高的表面 脚笺巷耋镨 万方数据万方数据 质量和表面完整性必须减少材料的塑性流动 文献 4 中从分子动力学的角度说明塑性流动形式直接跟 单个磨粒的切削速度有关 由于已加工表面存在应力 波的传动 当切削速度超过应力波的传播速度时 可以 有效减小因残余应力影响的已加工表面的厚度和改变 切屑的形状 对于不同的材料 其应力波的传播速度 是不同的 且考察起来比较困难 可以利用提高单个磨 粒切削速度的方法 观察已加工表面的表面质量 从而 间接得出应力波与切削速度之间存在的联系 2 超高速点磨削仿真模型的转化和建立 2 1 模型转化 超高速点磨削利用工件轴线和砂轮轴线之间存在 夹角a 图1 使砂轮与工件的接触属于点接触 通 过控制夹角a 的大小 可以改变两者之间的接触区 域 根据砂轮的表面特征 结合实际的接触形式 在实 际加工中瞬时参与切削的为单个磨粒 以前对于磨削 的研究更多注重于对宏观砂轮和工件之间的作用 而 在磨削中直接参与切削的是单个磨粒 特别是在点磨 削的加工中 利用单个磨粒作为切削刀具进行研究更 加合理 为了使等效磨粒不失一般性 8J 将磨粒等效 为球形 结合在超高速点磨削中磨削参数的选择 为了 使研究模型简单 特作如下的假设 1 单个C B N 磨粒 在磨削中看作刚体 2 工件的材料属性与模型中材 料的尺寸没有关系 且为各向同性材料模型 3 本例 只研究单个磨粒速度和磨削温度对已加工表面残余应 力的影响 其余影响不予考虑 图1 超高速点磨削原理图 2 2 模型建立 超高速点磨削主要用于外圆纵向磨削 为了使研 脚蒯2 0 0 屯9 舢辑7 埘 4 砌咖a n d 懈工艺与检测 究简化 单个磨粒的尺寸远小于被加工工件的尺寸 且 单个磨粒参与切削时间很短 在这种情况下 可以把磨 削过程看成是单个磨粒平面磨削 而切削的仿真可以 分为二维仿真和三维仿真旧J 二维仿真不仅模型简 单 计算量小 而且也可以观察到材料的理性流动和应 力的变化规律 为了减少运算时间 采用二维模型进 行模拟 选取材料4 0 C r N i 2 M o 作为仿真的工件材料 根据材料的属性和仿真的目的 采用J o h n s o n C o o k 模 型 这个模型是应变率和温度耦合的粘塑性材料模型 本材料模型的J o h n s o n C o o k 参数值见表1 建立的二 维切削模型如图2 所示 单个磨粒在仿真中采用刚体 结构 工件已经划分好了网格 为了更加准确地表达 切削区域应力的变化状况 参与切削的部分网格比较 密集 模拟切削加工时对工件有限元模型底部施加全 自由度约束 而对磨粒的旋转自由度及y z 方向的自 由度施加约束 使磨粒只能在x 方向作直线运动 磨 粒沿X 负向运动进行切削 工件材料的一些特性参 数如表2 所示 图2 点磨削的简化模型图 表14 0 C r N i 2 M o 的J o h n s o n C o o k 参数值 初始属暇应力A M P a 7 9 2 硬化模数B M P a 5 l O 工件硬化指数n O 2 6 应变率从属系数C 0 0 1 4 热软化系数m 1 0 3 表24 0 C r N i 2 M o 的特性参数 密度p k g i n 一3 7 8 5 0 弹性模贯E G P a 2 0 5 泊松比仙 0 3 3 点磨削的有限元模拟 3 1 屈服准则 金属材料的切削过程是指刀具从工件的表面上切 下多余的金属材料 而在刀具和材料的微观结构下 单 个磨粒切人工件材料并形成切屑的作用过程分为滑 擦 耕犁和切削三个阶段 8 在滑擦和耕犁阶段是没 有切屑形成的 但是可以观察在已加工表面的应力变 7 5 万方数据万方数据 工艺与检测融呦a n d 嘲 化规律 而翅性流动的最大应变准则在A b a q u s E x p l i c i t 中表示如下 D A s 勺 2 式中 s 是等效塑性应变增量 占 是失效时的等效应 变 占在增量分析中是不断更新的 而占 是由方程式 3 来表示的 其中 盯为等效流动应力 P 为应变率 参数 占为等效应变率 氏为相关应变率 1 O s 一 L 为熔化温度 r 为室温 剪切失效模型用来定义产生 塑性流动的 当D 的值超过1 时 可以认为发生失 效 引 合金钢4 0 C r N i 2 M o 的损伤常量和部分用到的 热参数如表3 影响已加工表面的残余应力的分布 尤其对于超高速 点磨削加工中 提高砂轮线速度 可以提高已加工表面 的表面质量 为超高速点磨削的理论研究和工程应用 提供了参考 一 p 占 D I D 2 e x p D 3 x 二 1 1 1 3 线速度为11 0 m s 时的仿真示意图 l n 主 1 D 1 L T 一T t c 3 表34 0 C r N i 2 M o 的J o h n s o n C o o k 损伤 定律参数和热参数 初始失效廊变D 0 0 5 指数因素D 2 3 4 4 应力因素D 3 2 1 2 应变率因素D 40 0 0 2 温度因索D 5 0 6 l 热传导率A w m K 1 4 4 5 T m K 1 7 9 3 1 5 2 7 3 1 5 T r K 3 2 仿真结果 在有限元的仿真过程中可以看出 残余应力是因 工件表面附近的非均匀塑性变形引起的 磨粒与工件 的挤压干涉产生塑性流动应力 在仿真设置中 结合超 高速点磨削应用的工艺范围 采用8 0 的C B N 磨粒进 行切削 为了直观地比较在速度不同的前提下应力分 布的情况 设置了单个磨粒移动的位移是相同的 0 通过改变仿真运行时间来改变切削速度 仿真的结果 如图3 和图4 所示 分别是单个磨粒的切削速度在 l1 0m s 和2 2 0m s 的仿真模拟 从应力分布云图上可 以明显看出其应力分布的差异 在已加工表面上 残余 应力随深度的增加而逐渐的减小 根据图3 和图4 中 的残余应力的分布与工件深度的关系 得到图5 的曲 线 图5 中更加清晰地表达出残余应力随深度变化的 分布状况及切削速度不同时对残余应力的影响 切削 速度越大时 工件表面的残余应力越小 间接地得出切 削速度可以影响切削过程材料的塑性流动 从而最终 7 6 图4 线速度为2 2 0 m s 时的仿真示意图 0 2 0 4 0 60 81 0 已加工表面的深度 r a m 图5 已加工表面残余应力分布曲线 4 结语 1 金属切削过程是切削层受到挤压后产生以剪 下转第8 0 页 鼍哆象揣铬 万方数据万方数据 工艺与检测M 嗍a 1 1 c 1 T e s t 迭代求出非球面副轴系数A F 本文根据精磨阶段 第一次磨削后可达到的面形精度将迭代收敛误差n 限 定在1 0 m m 数量级 依次叠加肌2 觑4 后即可收敛 拟合参数值见表3 经拟合后的曲面如图5 拟合残差 平方和r e s n o r m 为1 6 3 87 x 1 0 一 各测量点拟合残差见 图6 由拟合方程与理论方程的比较可生成补偿加工 原始数据 从而满足非轴对称非球面精磨的需要 5 结语 图6 拟合残差圈 根据非轴对称非球面平行磨削法加工方式的基本 思想 设计了以加工轨迹为检测路径的检测方式 多次 实验表明 该方式可以应用于非轴对称非球面工件的 补偿加工 提高补偿加工的效率和精度 本文采用 G a u s s N e w t o n 法对离散数据进行非线性最d x 乘拟 合 经过对多次测量数据的处理表明 该算法在满足 设定的迭代收敛误差要求的情况下 可有效地进行非 轴对称非球面工件表面的曲面拟合 参考文献 1 T A N A K A K M a n u f a c t u r i n gm e t h o do fn o n a s p h e r i cl e n sa n dS u p e r w e c i s i o nn o n a s p h e f i es u r f a c em a c h i n e O p t i c a l T e c h n o l o g yC o n t a c t 2 0 0 0 3 8 1 0 5 9 2 5 9 9 2 李锐钢 郑立功 张峰等 大口径高陡度离轴非球面精磨阶段的数 控加工 光学精密t 程 2 0 0 7 1 5 5 6 3 4 6 3 8 3S u z u k iT s y o j iK K u r y a g a w aT e ta 1 M a h i n i n gn o n a x i s y m m e t r i c a s p h e f i cs u r f a c e sw i t hp a r a l l e lg r i n d i n gt e c h n o l o g y P r o c e e d i n g so fJ S P E T o k y oJ a p a n 2 0 0 1 3 2 3 6 4 贾立德 郑子文 李吊怡 基于柱面坐标系的新型光学坐标测鼍机的 研制 光学精密I 程 2 0 0 6 1 4 5 8 3 5 8 3 9 5G o t o hT T a k a y aY T a k a h a s h iS e ta 1 S t u d i e so ng e n e r a t i n gf r e e f o r m s u r f a c ef r o mh i g I l d e n s i t ym e a s u r e dp o i n td a t a 2 n dR e p o r t J S P E J a p a n e s eE d i t i o n 1 9 9 9 6 5 1 0 1 4 3 0 1 4 3 4 6 郭隐彪 黄了亡庆 田波等 非轴对称非球面平行磨削误差补偿技术研 究 机械工程学报 2 0 0 2 3 8 5 1 1 8 1 2 1 7G o t o hT T a k a y aY M i y o s h iT S t u d i e so ng e n e r a t i n gf r e e f o r ms u r f a c e f r o mh i g h d e n s i t ym e a s u r e dp o i n td a t a 1s tR e p o r t J S P E J a p a n e s e E d i t i o n 1 9 9 8 6 4 1 8 4 8 8 8 仇谷烽 郭培基 懈滨等 接触式非球面轮廓测量的数据处理模型 光学精密工程 2 0 0 7 1 5 4 4 9 2 4 9 8 第一作者 郭隐彪 男 1 9 6 2 年生 工学博士 教 授 研究方向为精密超精密加工 光机电一体化 数控 技术 编辑蔡云生 收稿日期 2 0 0 9 0 3 一0 2 文章编号 9 7 2 7 如果您想发表对本文的看法 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置 上接第7 6 页 切位移为主的塑性变形 超高速点磨削中单个磨粒的 切削过程类似于负前角切削 2 利用仿真模型 可以验证单个磨粒的切削速 度对工件表面残余应力的影响 切削速度增大 已加工 表面的残余应力减小 3 超高速点磨削中 砂轮线速度的提高减小了 工件残余应力 可以实现高效率的去除材料 获得高精 度的加工表面 参考文献 1 宋贵亮 蔡光起等 超高速磨削及应用 金刚石与磨料磨具工程 2 0 0 0 1 1 5 2 4 2 仇健 巩嬷东等 砂轮周边磨削参数对快速点磨削加工精度的影响 精密制造与自动化 2 0 0 8 4 1 9 2 1 3 修世超 蔡光起 快速点磨削周边磨削层模型及参数 机械工程学 报 2 0 0 6 4 2 I I 1 9 7 2 0 0 4 J S h i m i z u L IB Z h o u H E d a S i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so f s u p e rh i g h s p e e dg r i n d i n go fd u c t i l em a t e r i a l J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y1 2 9 2 0 0 2 1 9 2 4 5C R L i u Y B G u o F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ee f f e c to fs e q u e n t i a l c u t sa n dt o o l c h i pf r i c t i o no nr e s i d u a ls t r e s si nam a c h i n e dl a y e r I n t e m a t i o n a lJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lS c i e n c e s4 2 2 0 0 0 1 0 6 9 1 0 8 6 6 俞汉清 陈金德编 金属塑性成形原理 北京 机械工业出版社 1 9 9 9 7 H u a n gJ M B l a c k I T A ne v a l u t i o no fc h i ps e p a r a t i o nc r i t e r i af o r t h eF E M s i m u l a t i o no fm a c h i n i n g A S M ET r a n s a c t i o n sJ o u m a lo fM a n u f a c t u r eS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g1 9 9 6 11 8 5 4 5 5 5 3 8M A L K I NS 著 蔡光起 巩亚东等译 磨削技术理论与应用 沈阳 东 北大学出版社 2 0 0 2 9 张延成 巩亚东等 基于硬态车削热模型的热分配系数对切屑成型 的影响 东北大学学报 2 0 0 8 7 2 9 1 3 一1 6 l O 石亦平 周玉蓉 A B A Q U S 有限元分析实例详解 北京 机械工业出 版社 2 0 0 6 第一作者 刘月明 男 1 9 8 4 年生 研究生 研究方 向为磨削与精密加工 编辑蔡云生 收稿日期 2 0 0 9 0 3 2 7 文章编号 9 7 2 6 如果您爆发表对本文的看法 请棒文章编号填入读者意见调查表中的相应位置 协翌毒篓搿