磨粒建模方法与切削过程仿真研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov252012VoI．33No．112130．2135ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．edu．Cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)1l一2130—06磨粒建模方法与切削过程仿真研究宿崇1‘2一，许立1，李明高2，马纪军21．大连交通大学机械工程学院，辽宁大连1160282．唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063000摘要：针对砂轮

2、表面上磨粒形状不规则、尺寸不确定的几何特征，研究了模拟实际磨粒的几何建模方法。采用随机空间平面切分正六面体的方法构建了具有实际磨粒几何特征的不规则多面体结构磨粒。基于LS-DYNA软件，采用流固耦合有限元法模拟了不规则多面体结构磨粒的切削过程。分析切削过程中工件材料的应力分布规律与切削变形规律，得出结论：工件材料的加工应力主要集中在与磨粒切削刃及棱角接触的区域；切屑沿磨粒挤压前面向上流动，并于挤压面法向方向上流出；磨粒挤压前角的增大有利于切屑的形成。利用陶瓷立方氮化硼(CBN)砂块进行了磨粒划擦试

3、验，试验结果证实了磨粒切削仿真结果的准确性。关键词：磨削；磨粒；建模；切削仿真；流固耦合中图分类号：V261．2；TG580．1文献标识码：A单颗磨粒切削机理是磨削加工研究领域中的一个重要课题。国内外许多学者通过实验的方法研究单颗磨粒的切削机理，取得了一些有益的成果。Ohbuchi和Matsuo[13采用CBN和金刚石磨粒，进行了单颗磨粒磨削试验，研究了速度和负前角对磨削力和切屑形成的影响。Matsuo等口1通过CBN和金刚石磨粒的单颗磨粒磨削试验对磨削力、沟槽截面积、塑性隆起等进行了研究。冯宝富

4、[31对典型难加工合金材料TC4钛合金和GIt4169高温合金进行了不同速度下的单颗磨粒磨削试验，并与磨削钢材的相关试验结果进行了对比分析。霍凤伟H3通过单颗磨粒磨削试验，对单晶硅的脆性一延性转变进行了研究，分析了磨粒刃尖形状、晶体方向对单晶硅脆性一延性转变的影响，得出了单晶硅临界切削深度。但试验研究也有不足之处，即试验过程不可逆且难以观测工件材料内部的变形规律。采用计算机仿真来模拟磨粒的切削过程，可以弥补试验的不足。目前，单颗磨粒切削仿真研究中，大多采用球体口1]、圆锥体凹]、多棱锥体口。123

5、等规则的几何体来模拟磨粒的形状。采用规则几何体模拟磨粒切削时，工件材料的变形呈对称分布，切屑流向确定，这与工件材料的实际切削变形情况不相符[3]。磨粒的实际形状是不规则的，切削部分存在多个棱角、多个切刃，随着磨粒切削深度的增大，参与切削的棱角和切刃也会增加，从而导致工件材料切削变形和切屑流向的变化[13。14]。并且，球体和圆锥体表面圆滑，不能准确模拟出磨粒切刃的切削行为，而棱锥体更近似于磨粒的一个棱角。因此，采用规则的几何体难以准确地模拟出真实磨粒的切削行为及工件材料的变形规律。本文在考虑磨粒实

6、际形状特征与尺寸特征的收稿日期：2011-11-18；退修日期：2011-11．21；录用日期：2012．03—15：网络出版时间：2012—03—2911：39网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120329．1139005．html基金项目：国家自然科学基金(50975043)*通讯作者Tel：0411—84109243E—mail：SC@djtu．edu．CD引燕格式

7、suC。XuL．LiMGtetalStudyonmodelingandcu

8、ttingsimulationofabrasivegrainsActaAeronauticaetAstronauticaSinica2012．33(¨)：2130．2135i宿崇。许立．李明高，等．磨粒建模方法与切瓤过程伤真研究．航空学报。2012，33(11)：2130-2135宿崇等：磨粒建模方法与切削过程仿真研究前提下，研究了不规则多面体结构磨粒的随机生成方法，并进行了单颗磨粒切削过程仿真。根据仿真过程中工件材料的切削变形规律分析了磨粒的切削机理，并通过磨粒划擦试验对仿真结果的准确性进行了验

9、证。1磨粒建模方法图1为CBN磨料SEM照片。从图中可以看出，磨粒的整体形状是不规则的，存在多个面、多个棱角。显然，与球体、圆锥体和棱锥体相比，采用不规则的多面体能更准确地描述磨粒的几何特征。根据磨粒的几何特征，在构建不规则多面体结构磨粒时需要满足3个随机特性：①多面体侧面数量的随机性；②侧面法向矢量的随机性；③多面体尺寸的随机性。图1CBN磨粒SEM照片Fig．1SEMphotographofCBNabrasivegrain本文采用随机空间平面切分正六面体的方法生成不规则多面体结