基于试验和仿真的高速磨削加工中几个重要参数的离散度研究(长沙)

1、汇报人：陈剑斌汇报人：陈剑斌指导老师：方棋洪指导老师：方棋洪 教授教授湖湖 南南 大大 学学机械与运载工程学院机械与运载工程学院 力学系力学系 基于试验和仿真的高速磨削加工基于试验和仿真的高速磨削加工中几个重要参数的离散度研究中几个重要参数的离散度研究2基于仿真的残余应力离散度基于仿真的残余应力离散度基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度小结及展望小结及展望34汇汇报报提提纲纲1研究背景、方法及内容研究背景、方法及内容1、研究背景、方法及内容、研究背景、方法及内容研究背景研究背景在常用的加工中，磨削去除单位体积材料是最贵的，能占加工过程的80%。（高效）（高效）难

2、加工材料（如高强度钢、光学玻璃、工程陶瓷）在磨削加工时磨削力大、磨削温度高，同时伴随表面/亚表面微裂纹形核与扩展、残余应力等多种损伤的出现。（高质量）（高质量）为最大程度提高磨削效率、减少工件亚表面损伤、大幅度降低后续抛光时间，用以优化磨削参数的逻辑方法的发展需要建立在对磨削机理及其对表面损伤和力学特性影响理解的基础上。（微观角度、定量分析）（微观角度、定量分析）1、研究背景、方法及内容、研究背景、方法及内容目前，对磨削加工产生的各种损伤的研究方法主要有：目前，对磨削加工产生的各种损伤的研究方法主要有：试验法：试验法：效率低、成本高数学物理建模法：数学物理建模法：Lawn压痕断裂力学模型有限元

3、仿真法：有限元仿真法：移动热源、二维平面问题 共同点：共同点：影响因素众多，影响因素众多，导致结果存在不同程度的离散性。离散性。1、研究背景、方法及内容、研究背景、方法及内容主要研究内容主要研究内容（1）基于仿真的残余应力离散度）基于仿真的残余应力离散度（2）基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度）基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度 离散度离散度表示观测组中个体的差异或偏离程度的特征值，又称为差异度、分散度。它可表现一组数值的散布区域，或反应平均值代表程度的大小。当离散度小时，平均值比较能代表该数组中的各个数值；当离散度大时，平均值不能代表该数组中的各个数值。 离散度的主要表征种类：离散度的主要表

4、征种类：极差极差R、标准差、变异系数、标准差、变异系数Cv2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度 目的：目的：根据残余应力的动态分布来优化磨削参数以减少磨削表面残余应力 材料本构：材料本构：材料：40Cr密度：7820kg/m3弹性模量：210GPa泊松比：0.3比热：703.4J/kg/断面收缩率：45%2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度摩擦条件：摩擦条件：修正的修正的Coulomb摩擦定律摩擦定律maxmaxmax,nfffTTT滑动区粘着区滑动区：Coulomb，0.3粘着区：Shear，0.62、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度加工

5、工况：加工工况：加载、卸载、冷却加载、卸载、冷却加载：固定边界，磨粒转动(-Y)，刚塑性，Vs: 30180m/s，ap: 1540m卸载：刀具平动(+Z)，弹塑性， Vs: 60m/s冷却：约束转换，磨粒温度降至室温(20)传热系数：环境、工件磨粒2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度高速磨削几种现象：高速磨削几种现象：瞬态冲击、塑性变形、绝热剪切带瞬态冲击、塑性变形、绝热剪切带2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度温度历程温度历程接触区某点接触区某点P1：塑性变形升温塑性变形升温摩擦升温摩擦升温脱离接触降温脱离接触降温非接触区点非接触区点P2：塑性变形升温塑

6、性变形升温脱离接触降温脱离接触降温应力历程：应力历程：不同时刻机械应力和热应力各自起主导作用，不同时刻机械应力和热应力各自起主导作用，应力呈现出拉伸或压缩状态。应力呈现出拉伸或压缩状态。2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度磨削力：磨削力：评估易磨性，与磨削机制、材料特性及微结构、评估易磨性，与磨削机制、材料特性及微结构、加工参数的选择等密切相关。加工参数的选择等密切相关。 主要磨削力：主要磨削力：法向法向 磨削力比：磨削力比：1.51.7之间之间(b)0501001502002500.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0Grinding

7、forces (N)Step X Load Y Load Z Load0204060801001201401601802002202402600.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.2Fn/Ft(100%)Step number Ratio1 李蓓智,高速高质量磨削理论、工艺、装备与应用(2012)，磨削普通金属时，磨削力比为1.6-1.8.2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度 残余应力：残余应力：复杂、离散性，影响工件疲劳寿命、可靠性复杂、离散性，影响工件疲劳寿命、可靠性0.000.020.040.060.080.

8、100.120.140.16-50050100150200250300350400450500550600650700750Residual stress below machined surface (MPa)Depth below surface (mm) 15um 20um 30um 40um2 J Mater Process Technol (2001) 109:254257，通常在深度1020m附近测得最大残余（拉）应力值0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18050100150200250300350400450500550600650700

9、750800850900Temperature below machined surface (C)Depth below surface (mm) 60m/s 100m/s 140m/s 180m/s2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度残余应力离散度：残余应力离散度：极差：极差：直接影响疲劳裂纹的萌生与扩展标准差：标准差：直接影响疲劳寿命预测精度0.0340.0510.0680.085-200-1000100200300400500600700Residual stress along machined surface (MPa)X coordinates of the p

10、oints on finished surface (mm) 60m/s 100m/s 140m/s 180m/s6080100120140160180050100150200250300350400450500550600Residual stress scatter below the finished surface (MPa)Grinding speed (m/s) Range Average Standard deviation2、基于仿真的残余应力离散度、基于仿真的残余应力离散度残余应力离散度：残余应力离散度：变异系数：变异系数：比较不同组别数据离散度，可信度高6080100120

11、1401601801.001.051.101.151.201.251.301.351.401.451.501.551.601.651.701.75Residual stress scatter below the finished surfaceGrinding speed (m/s) Coefficient of variation Cv 1520253035400.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.001.05Residual stress scatter on the finished surface

12、(MPa)Grinding depth Coefficient of variation0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18-50050100150200250300350400450500550600Max principal stress at various grinding speeds (MPa)Depth below finished surface (mm) 60m/s 100m/s 140m/s 180m/s3、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验条件试验条件超高速数控磨床：超高速数控磨床：杭州机

13、床厂、MKL7132X8/17型，主轴最高转速10000r/min，砂轮电动机功率50kW，砂轮最高线速度200m/s磨削液：磨削液：高速水基SY-1，浓度5%，供液压力4MPa，流量40L/min。3、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验条件试验条件高速砂轮规格高速砂轮规格试件：试件： BK7，尺寸60 mm40 mm20mm磨料磨料 粒度号粒度号浓度浓度磨料厚度磨料厚度(mm)硬硬度度结合结合剂剂宽度宽度(mm)安全速安全速度度(ms-1)直径直径(mm)金刚石金刚石120#100%5中硬中硬树脂树脂15160400密度：2.510g/cm3弹性模量：

14、81GPa泊松比：0.21热扩散系数：7.1e-6K-1硬度：5.1GPa应变点：559断裂韧度：0.85MPam0.5压缩强度：690GPa3、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验条件试验条件加工参数：加工参数：匹配磨床工艺性能，权衡加工质量、加工效率和生产成本。砂轮线速度砂轮线速度v vs s/( ms/( ms-1-1) )工作台速度工作台速度v vw w/(mmin/(mmin-1-1) )切深切深a ap p/(m)/(m)3030、6060、9090、1201202.42.42002001201201.21.2、2.42.4、3.63.6、4.

15、84.82002001201202.42.45050、100100、200200、4004003、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：试验结果：磨削力：磨削力：磨削力是产生裂纹的一个主要因素磨削力是产生裂纹的一个主要因素，磨削力及力，磨削力及力比越小，表面及亚表面完整性越好。比越小，表面及亚表面完整性越好。nPc43ccPKHf E H20406080100120600700800900100011001200Normal grinding force Fn (N)Vs (m/s) Vw=2.5m/min,ap=200m193、基于试验的磨削力、表面

16、粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：试验结果：表面形貌：表面形貌：磨削过程存在的几种作用形态：磨削过程存在的几种作用形态：a、脆性断裂、脆性断裂 b、划擦、划擦 c、塑性去除、塑性去除abc30m s2.4m min200mswpVVa120m s2.4m min200mswpVVa120m s2.4m min50mswpVVa203、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：试验结果：表面粗糙度表面粗糙度SRSR：JB-4CJB-4C精密粗糙度测试仪精密粗糙度测试仪abc1.21.82.40.00.20.40.60.81.01.21

17、.41.61.82.02.22.42.62.83.0Ra (m)Vw (m/min) Vs=120m/s,ap=200m204060801001200.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0Ra (m)Vs (m/s) Vw=0.5m/min,ap=5m Vw=2.5m/min,ap=200m离散度离散度213、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：试验结果：亚表面损伤亚表面损伤SSDSSD：SEMSEMabcSSD与SR的关系：SSDSRSSDSR2SSD=kSR2+l离散度离散度30m s2.4m min200m

18、swpVVa120m s2.4m min400mswpVVa120m s2.4m min200mswpVVa120m s1.2m min200mswpVVa223、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度 试验结果：试验结果：磨削力、表面粗糙度离散度磨削力、表面粗糙度离散度abc204060801001200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Surface roughness scatter (m)Vs (m/s) R (Vw=0.5m/min,ap=5m) (Vw=0.5m/min,ap=5m)204060801001200.000.010.020.030.040.05Relative scatter of Fn (100%)Vs (m/s) Vw=0.5m/min,ap=5m2040608010012002468101214161820222426Scatter of Fn (N)Vs (m/s) R (Vw=0.5m/min,ap=5m) (Vw=0.5m/min,ap=5m)204060801001200.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50Relative scatter of surface