光学玻璃磨削机理的仿真研究

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1、万方数据工艺与检测M咖and例光学玻璃磨削机理的仿真研究4沈琳燕李蓓智杨建国(东华大学机械工程学院，上海201620)摘要：采用有限元仿真分析方法。利用有限元增量理论建立了玻璃材料的弹塑性本构关系，对单颗金刚石磨粒的磨削过程进行了仿真，最后从最大拉应力、磨削力、磨削力比3个方面对仿真结果进行了分析研究，为玻璃磨削加工的工艺参数优化和工艺规划奠定了基础。关键字：高速磨削光学玻璃仿真磨削力SimulationStudyofOpticalGlassGrindingMechanismSHENLinyan，LIBeizhi-YANGJianguo【Schoolof

2、MechanicalEngineering，DonghuaUniversity，Shanghai201620。CHN)Abstract：Inthispaper-elastic-plasticconstitutiverelationofglasswasestablishedbytheuseoffiniteelementin—crementaltheory，andthesingle-刚tdiamondgrindingprocesswassimulated．Thesimulationresultswereanalyzedfromtheaspectsofthem

3、aximumtensilestress，grindingforceandgrindingforceratio，whichlaidafoundationforprocessparametersoptimizationandprocessplanningforgrindingopticalglass．Keywords：HighSpeedGrinding；OpticalGlass；Simulation；GrindingForce随着尖端科学技术的不断发展，高质量的玻璃等脆性材料产品的需求大大增加。冈此，需要对它们进行精密及超精密加工。这些材料虽然用处十分广泛，

4、但其硬度高，脆性大，其物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料相比有很大差异。由于玻璃等脆性材料在韧性和强度方面相互之间差异较大，所以玻璃材料的磨削既不同于一般高脆性材料(如金刚石)的纯断裂过程，又不同于金属材料的塑性剪切过程。为了获得高质量的玻璃材料产品，现在一般采用研抛技术加工，但研抛技术生产周期长，产品成本高。近年来，超精密磨削技术的进步，使得磨削表面的质量等同甚至优于研抛表面¨’2J，并且加工效率得以大幅度提高。因此，研究玻璃等脆性材料超精密磨削过程中的磨削特性是很有必要的，这将对脆性材料的超精密加工提供一定的科学参考价值。由于实际加工过程中的切削

5、温度、应力、应变等的测量极其困难，单纯依靠实验很难对磨削机理进行深入的研究。计算机仿真方法能够揭示实验很难获得的物理力学现象，从而为深入研究磨削机理奠定基础。因此本文从仿真角度对单颗金刚石磨粒磨削玻璃进行机理研究，通过分析单颗磨粒的理想磨削过程，建立了单颗磨粒磨削的仿真模型。基于该模型，利用有限元软件对不同磨削条件下的磨削过程进行仿真，分析了砂轮线速度、磨削深度同应力、磨削力之间的关系，并得出磨削过程中玻璃的变形，进而町对磨削过程的参数进行优化，使磨削过程的研究更加快捷、有效[3]。1有限元分析模型1．1三维几何模型的建立用于切削仿真的数值模拟计算方法主

6、要有两种，即欧拉方法及拉格朗日方法。欧拉方法中有限元网格描述空间域，材料可以在网格间流动。欧拉方法可以模拟稳态切削过程，但无法模拟切屑的形成。拉格朗日方法是固体分析方法，有限元网格紧紧贴在材料上，随着工件的变形而变形，此方法可以模拟切屑的形成，但必须定义切屑的分离准则。本文采用拉格朗日方法建立了玻璃三维磨削的有限元模型，如图1所示。其中工件以速度口。沿算轴正方向运动，砂轮以线速度q沿二轴顺时针旋转。切屑分离准则采用物理量分离准则，即单元节点分离，充分采用网格划分工具MeshTool}上海市重点学科建设项目资助(I撕02)，国家973计划项目资助(2009

7、CB724403)·104·万方数据对砂轮划分网格，采用智能单元尺寸控制方法对工件划分网格，磨粒附近应力和应变都集中的材料部分，采用较密的网格划分，在远离磨粒的地方采用较大尺寸的网格单元。如此划分网格后，既可以获得足够的计算精度，又可以节省计算时间。对磨削区的应力分析建模是一个技巧性的问题。如果将其作为一个动力学问题，考虑工件的惯性和加速度，则工件的质量是一个未知数，而且也不能反映磨削过程的现象。通过分析比较发现，根据相对运动原理，假设工件不动，砂轮磨图1单颗磨粒磨削的仿真模型粒相对工件切削层作挤压运动，最终形成切屑脱离，用非线性接触问题建模，不但符合实

8、际切削过程，而且有利于数值计算，可以较好地模拟磨削过程。通过将砂轮磨粒定义为“接