微结构模具磨削加工仿真分析范文

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《工具技术杂志》2016年第二期

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，严重影响其工作性能和加工精度。本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，找出影响磨削力大小的相关因素。为分析V形槽结构磨削加工过程中残余应力的分布规律，提出了V形槽结构磨削加工有限元建模方法。同时，采用不同数值的磨削深度进行模拟，以分析磨削用量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;应力;仿真分析

1引言

微结构工件的性能一般取决于微结构表面模具的质量，常用于对精度要求较高的场合。为保证模具的使用寿命和精度的长期一致性，目前微结构加工模具的材料正在由传统的模具钢向具有高硬度、耐磨损、耐高温的超硬材料发展［1］。超精密磨削是超硬材料微结构最有效的加工方法，可获得较高的尺寸精度，但往往因存在残余应力，使加工表面的完整性受到破坏，易产生裂纹等缺陷［2］，如图1所示。这对模具的疲劳强度、抗腐蚀性、耐磨度等都有很大的影响，进而影响了模具自身寿命以及微结构工件的加工精度。因此，如何预防和减小磨削加工过程微结构的残余应力，减轻工件表层损伤是研究人员普遍关注的问题。文献［3］研究了磨削参数对超硬模具微结构表面粗糙度的影响规律，提出了磨削轨迹不相同是导致磨削后阶梯光栅表面质量不均匀问题的主要原因。文献［4］基于最小二乘法建立了表面显微硬度多元回归预测模型，并通过低膨胀微晶玻璃点磨削试验，验证了模型的正确性。文献［5］结合目前微结构元件模具的超精密加工技术，详细分析了更适合于微结构光学模具的超精密磨削方法、磨削工具、磨削轨迹规划方法以及具有更高精度和效率的精密修整技术，为微结构模具磨削加工技术的发展趋势指明了方向。通过对磨削加工过程进行分析，采用经验公式法与实验相结合的方法对磨削力进行建模，利用回归法分析实验数据，最后推导出实际的磨削力公式。根据超硬材料的加工特点，建立了以SiC为材料的V形槽工件的有限元模型。同时，在不同磨削条件下进行仿真分析，得到磨削加工残余应力大小及其分布规律。根据分析结果，可模拟实际加工过程中工件所受应力的大小，更直观地看出表面结构变化情况，从而及时采取预防措施，为提高模具表面质量和疲劳强度、增加工作稳定性提供理论依据。

2V型槽工件磨削力分析

在磨削加工过程中，在磨削力和高温作用下，工件将产生残余内应力，这也是工件变形的主要原因。磨削用量、工作台进给速度以及砂轮线速度是衡量磨削力的主要性能指标，决定了磨削力数学模型的建立以及后续对残余应力的仿真工作。磨削力主要包括切向磨削力Ft、法向磨削力Fn及轴向磨削力Fa，在对V形槽进行磨削时，V形槽两个侧面上受到的轴向力相同，可相互抵消，故本文只对切向磨削力和法向磨削力进行研究［7］。V形槽磨削力测量系统示意图如图2所示。采用M7140卧式平面磨床为加工设备，主轴转速为3750r/min，以SiC作为实验材料，密度为3.18g/cm3，平均粒度大小为8μm，平均维氏硬度为2680kgf/mm2，弹性模量为410GPa，金刚石砂轮粒度为400目。分别取两组不同的磨削深度、砂轮线速度以及工作台进给速度进行组合，得到4组不同的参数序列(见表1)。

3仿真分析

(1)三维模型建立微结构工件的三维模型，模型尺寸为100mm×40mm×20mm，V形槽共5个，深度为1mm，如图3所示。(2)网格划分为提高仿真计算速度和准确性，在进行网格划分时将三维模型先进行分区，离加工表面近的区域网格划分细密，远离力源加载的区域网格划分稀疏［8］，如图4所示。(3)仿真分析残余应力是法向磨削力的作用而产生的［9，10］，故本研究只对法向磨削力进行分析。为便于分析，仿真过程中忽略V槽形状对磨削力的影响以及磨削过程中砂轮的磨损。取砂轮的直径为150mm，磨削深度0．02mm，工件进给速度为0．05m/min，砂轮线速度为1920m/min，V形槽两边夹角为120°，运用有限元分析软件对SiC材料的V形槽磨削加工过程进行残余应力场分析。加工2个和5个槽时的应力分布情况见图5－图7。从仿真结果可知，磨削过程中工件会受到应力作用，应力最大值出现在砂轮切出工件的时刻，主要分布在V形槽底部、顶部以及工作底部的边缘区域。随着已加工V形槽个数的增加，残余应力逐渐累加，并产生应力集中现象;当磨削全部完成时，中间的V形槽所受应力比两侧V形槽小，这是因为加工后面V形槽时对前面应力有一定的释放作用。影响工件表面质量的主要是V形槽附近的应力，应力集中使工作表面产生裂纹和变形，导致成图1所示状态，直接影响了模具的加工质量和使用寿命。(4)磨削用量对残余应力影响由于工作台进给速度一般固定不变，砂轮转速对磨削力的影响较小，故本研究主要考虑磨削深度对工件残余应力的影响。保持工作台的进给速度和砂轮线速度不变，分别选取磨削深度为0．1mm、0.2mm和0．3mm三个工况进行仿真分析，则磨削完成后残余应力分布情况如图8－图10所示。可见，在对V形槽结构进行磨削加工时，工件内部残余应力的大小随磨削深度增加而增大。这说明随着磨削深度的增加，所用磨削力也逐渐增大，导致工件残余应力增大。同样，随着V形槽结构尺寸的加大，将更易于残余应力的释放，也将引起工件表面破损和变形。

4结语

针对微结构工件在磨削加工过程中存在的问题，本研究以V形槽结构为研究对象，采用实验与回归法推导出SiC磨削力经验公式，并通过有限元分析软件对了V形槽磨削加工过程残余应力的分布规律进行数值模拟，最后通过改变磨削深度的方法研究了磨削用量对残余应力的影响规律。本研究结果为合理选择微结构磨削加工的参数、有效减小加工过程中产生的残余应力、提高工件的工作性能和表面精度提供借鉴，有一定的实用价值。

作者：刘雅荣 单位：长春职业技术学院