本站小編為你精心準備了微結構模具磨削加工仿真分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《工具技術雜志》2016年第二期

摘要:

微結構工件在磨削加工過程中產生的殘余應力將導致工件變形，表面機理受到破壞，嚴重影響其工作性能和加工精度。本文采用實驗與回歸法相結合推導了超硬材料SiC的磨削力公式，找出影響磨削力大小的相關因素。為分析V形槽結構磨削加工過程中殘余應力的分布規律，提出了V形槽結構磨削加工有限元建模方法。同時，采用不同數值的磨削深度進行模擬，以分析磨削用量對殘余應力大小的影響，為磨削過程中參數選取、殘余應力分析提供參考。

關鍵詞:

微結構;磨削加工;應力;仿真分析

1引言

微結構工件的性能一般取決于微結構表面模具的質量，常用于對精度要求較高的場合。為保證模具的使用壽命和精度的長期一致性，目前微結構加工模具的材料正在由傳統的模具鋼向具有高硬度、耐磨損、耐高溫的超硬材料發展［1］。超精密磨削是超硬材料微結構最有效的加工方法，可獲得較高的尺寸精度，但往往因存在殘余應力，使加工表面的完整性受到破壞，易產生裂紋等缺陷［2］，如圖1所示。這對模具的疲勞強度、抗腐蝕性、耐磨度等都有很大的影響，進而影響了模具自身壽命以及微結構工件的加工精度。因此，如何預防和減小磨削加工過程微結構的殘余應力，減輕工件表層損傷是研究人員普遍關注的問題。文獻［3］研究了磨削參數對超硬模具微結構表面粗糙度的影響規律，提出了磨削軌跡不相同是導致磨削后階梯光柵表面質量不均勻問題的主要原因。文獻［4］基于最小二乘法建立了表面顯微硬度多元回歸預測模型，并通過低膨脹微晶玻璃點磨削試驗，驗證了模型的正確性。文獻［5］結合目前微結構元件模具的超精密加工技術，詳細分析了更適合于微結構光學模具的超精密磨削方法、磨削工具、磨削軌跡規劃方法以及具有更高精度和效率的精密修整技術，為微結構模具磨削加工技術的發展趨勢指明了方向。通過對磨削加工過程進行分析，采用經驗公式法與實驗相結合的方法對磨削力進行建模，利用回歸法分析實驗數據，最后推導出實際的磨削力公式。根據超硬材料的加工特點，建立了以SiC為材料的V形槽工件的有限元模型。同時，在不同磨削條件下進行仿真分析，得到磨削加工殘余應力大小及其分布規律。根據分析結果，可模擬實際加工過程中工件所受應力的大小，更直觀地看出表面結構變化情況，從而及時采取預防措施，為提高模具表面質量和疲勞強度、增加工作穩定性提供理論依據。

2V型槽工件磨削力分析

在磨削加工過程中，在磨削力和高溫作用下，工件將產生殘余內應力，這也是工件變形的主要原因。磨削用量、工作臺進給速度以及砂輪線速度是衡量磨削力的主要性能指標，決定了磨削力數學模型的建立以及后續對殘余應力的仿真工作。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V形槽進行磨削時，V形槽兩個側面上受到的軸向力相同，可相互抵消，故本文只對切向磨削力和法向磨削力進行研究［7］。V形槽磨削力測量系統示意圖如圖2所示。采用M7140臥式平面磨床為加工設備，主軸轉速為3750r/min，以SiC作為實驗材料，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、砂輪線速度以及工作臺進給速度進行組合，得到4組不同的參數序列(見表1)。

3仿真分析

(1)三維模型建立微結構工件的三維模型，模型尺寸為100mm×40mm×20mm，V形槽共5個，深度為1mm，如圖3所示。(2)網格劃分為提高仿真計算速度和準確性，在進行網格劃分時將三維模型先進行分區，離加工表面近的區域網格劃分細密，遠離力源加載的區域網格劃分稀疏［8］，如圖4所示。(3)仿真分析殘余應力是法向磨削力的作用而產生的［9，10］，故本研究只對法向磨削力進行分析。為便于分析，仿真過程中忽略V槽形狀對磨削力的影響以及磨削過程中砂輪的磨損。取砂輪的直徑為150mm，磨削深度0．02mm，工件進給速度為0．05m/min，砂輪線速度為1920m/min，V形槽兩邊夾角為120°，運用有限元分析軟件對SiC材料的V形槽磨削加工過程進行殘余應力場分析。加工2個和5個槽時的應力分布情況見圖5－圖7。從仿真結果可知，磨削過程中工件會受到應力作用，應力最大值出現在砂輪切出工件的時刻，主要分布在V形槽底部、頂部以及工作底部的邊緣區域。隨著已加工V形槽個數的增加，殘余應力逐漸累加，并產生應力集中現象;當磨削全部完成時，中間的V形槽所受應力比兩側V形槽小，這是因為加工后面V形槽時對前面應力有一定的釋放作用。影響工件表面質量的主要是V形槽附近的應力，應力集中使工作表面產生裂紋和變形，導致成圖1所示狀態，直接影響了模具的加工質量和使用壽命。(4)磨削用量對殘余應力影響由于工作臺進給速度一般固定不變，砂輪轉速對磨削力的影響較小，故本研究主要考慮磨削深度對工件殘余應力的影響。保持工作臺的進給速度和砂輪線速度不變，分別選取磨削深度為0．1mm、0.2mm和0．3mm三個工況進行仿真分析，則磨削完成后殘余應力分布情況如圖8－圖10所示。可見，在對V形槽結構進行磨削加工時，工件內部殘余應力的大小隨磨削深度增加而增大。這說明隨著磨削深度的增加，所用磨削力也逐漸增大，導致工件殘余應力增大。同樣，隨著V形槽結構尺寸的加大，將更易于殘余應力的釋放，也將引起工件表面破損和變形。

4結語

針對微結構工件在磨削加工過程中存在的問題，本研究以V形槽結構為研究對象，采用實驗與回歸法推導出SiC磨削力經驗公式，并通過有限元分析軟件對了V形槽磨削加工過程殘余應力的分布規律進行數值模擬，最后通過改變磨削深度的方法研究了磨削用量對殘余應力的影響規律。本研究結果為合理選擇微結構磨削加工的參數、有效減小加工過程中產生的殘余應力、提高工件的工作性能和表面精度提供借鑒，有一定的實用價值。

作者：劉雅榮 單位：長春職業技術學院