微结构磨削加工分析与数值模拟
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作者:杨晓辉
摘 要：微结构工件在磨削加工过程中产生的残余应力将导致工件变形，表面机理受到破坏，严重影响了工件的工作性能和加工精度。该文采用实验与回归法相结合推导了超硬材料SIC的磨削力公式，提出了V形槽结构磨削加工有限元建模方法。总结出V形槽结构磨削加工残余应力的分布规律，以及磨削用量参数对残余应力大小的影响，为磨削过程中参数选取、残余应力分析提供参考。
关键词：微结构 磨削加工 内应力 有限元分析
中图分类号：TG580 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（b）-0047-02
微结构工件常用于对精度要求较高的场合，产品的性能一般取决于微结构表面模具的质量。从考虑模具零件的加工精度和工作寿命在长时间内的一致性出发，当前利用微结构加工模具所用的材料正在由传统的合金模具鋼向超硬材料方向发展。该超硬材料具有磨损性高、耐热性高、硬度高的特点。加工方法超硬材料微结构最有效的方法是采用超精密磨削，此加工方法可以使工件获得非常好的尺寸精度，但常常由于加工中零件被加工表面会产生一定的残余内应力，在完整性方面使零件加工表面受到不良影响，易产生变形和裂纹等结构上的缺陷，严重影响模具的使用效果。这些裂纹对模具的抗腐蚀性、疲劳强度、耐磨度等都有很多不良作用，进而降低了微结构工件的加工精度和使用寿命。如何有效地减小和预防磨削加工中微结构产生的残余内应力，降低工件表层损伤程度是我们所要研究的问题。
通过对磨削加工过程进行分析，根据超硬材料的性能特点和加工特点，建立了以SIC为材料的V形槽工件的有限元模型。在切削用量不同、磨削力不同和加工温度不同等磨削条件下进行仿真磨削加工分析。在定性分析的基础上，得到不同条件下的工件中残余内应力大小及其分布规律，进而得出模拟实际加工过程中工件所受内应力大小，能形象直观地展示出零件表面结构变化趋势，针对出现的问题及时提出相应的预防策略和采取合理的方法，从而提高模具表面质量，提高零件疲劳强度和使用寿命，提高模具工作稳定性和使用寿命。此项研究具有一定实际应用价值。
1 V型槽工件磨削加工中的磨削力大小分析
在实际加工过程中，影响工件变形的主要因素有磨削力大小和加工温度高低。在磨削力和加工温度作用下，工件会产生一定的残余内应力。磨削力越大，加工温度越高，越容易产生残余内应力。磨削力主要性能的衡量指标有磨削用量、工作台进给速度以及砂轮线速度，这些性能指标影响了磨削力数学模型的建立以及后续研究中对对残余应力的仿真加工工作。该文在经验公式法分析的基础上，并采用实验处理，在两者相结合的基础上对磨削力进行建模，利用回归法分析实验数据，最终推导出不同条件下的磨削力经验公式。
2 仿真分析
2.1 三维模型
建立微结构工件的三维模型，模型尺寸为，V形槽深度为1mm，V形槽的个数为5个。
2.2 网格划分
在进行网格划分时，为了提高计算速度和精度，便于仿真分析，将三维模型进行合理分区，距离源加载区域较远的网格划分稀疏，距离加工表面较近的区域网格划分细密。
2.3 仿真分析
为了便于分析，仿真过程中作如下假设：
（1）磨削在工件的塑性区域进行，按照弹/塑性模型进行分析。
（2）完全忽略V槽形状不同和尺寸大小对磨削力的影响。
（3）忽略了砂轮的磨损程度对磨削质量的影响。
实验条件为：选取直径为200mm的砂轮，磨削深度选用0.01mm，工件进给速度选用0.2mm/min，砂轮线速度选用1500m/min，V形槽两边夹角选择120℃。在此条件下，利用ABAQUS有限元分析软件对SIC材料的V形槽微结构进行加工残余内应力进行比较分析，得到其等效应力场的分布情况。
在系统分析基础上可以看出，残余内应力主要分布在砂轮切出工件时工件的底部边缘、V形槽尖端、V形槽底部以及V形槽下面。应力最大位置出现在砂轮切出工件时工件底部边缘处。伴随已加工V形槽数量的不断增加，工件中残余内应力不断增大，并产生较大的应力集中。残余应力的大小及分布将引起材料破损与变形，直接影响着工件的表面精度和疲劳强度，因此需要对应力的影响因素进行分析。
2.4 磨削用量对残余应力作用
在机床工作台的进给速度不变和忽略砂轮转速对磨削力的影响的条件下，重点研究加工中磨削深度大小对工件残余内应力的影响大小。在砂轮转速不变和工作台的进给速度不变的条件下，分别针对磨削深度为0.01mm、0.02mm和0.03mm三个不同的切削深度进行仿真加工，为进一步阐明磨削深度对残余应力的影响，把以上仿真结果在不同进给速度下进行对比。
在系统分析基础上可以得出，在采用不同加工深度对不同尺寸的V形槽进行磨削加工时，磨削深度越大，工件内部残余应力的大小越大。这说明随着磨削深度的不断增加，所用磨削力也不断增加，从而导致工件加工残余内应力的增加。同时，随着V形槽尺寸的不断加大，将使加工残余内应力易于释放，也将引起工件表面破损和产生一定的变形。
3 结语
该文以V形槽结构为研究对象，探索了微结构工件在磨削加工过程中存在的主要问题。通过有限元分析法总结了V形槽磨削加工残余应力的分布规律，以及磨削用量各参数对残余应力的影响规律。应用研究结论可以有效减少磨削加工过程中产生的残余内应力，提高工件的加工精度和使用寿命。
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