基于Deform-3D的針對不同形狀磨粒的磨鉆仿真研究

秦多， 張平寬， 孫天華， 閆興民

（太原科技大學，太原 030024）

0 引言

隨著科技的進步，各領域對產品的質量都在不斷地提高，尤其是高精尖行業，例如航空航天設備、精密儀器等。在某些零部件當中，微小孔的加工精度決定了產品的質量。對于微小孔的加工方法，各國都進行了充分的研究，新的加工方法也層出不窮。例如瑞士的Posaluxsa公司研制出的多工位鉆床（CNC三工位鉆床）；美國National Jet研制出的50 000 r/min的微小孔鉆床；荷蘭Philips研究所用微細電火花技術加工出了直徑為φ30μm的微孔等等。我國在微小孔加工的研究上，針對難加工材料的微小孔加工和容易出現的問題，太原科技大學的張平寬教授、厲鵬、孫王路等［1］創意性地提出了一種新的加工方法：微小孔磨鉆加工技術，并且研究出了其基本理論，也就是利用磨削的原理，將刀具看成由無數個磨粒組成的磨具，在給予一定的轉速和進給量后，來加工材料。關于微小孔的磨鉆加工技術，不管是國外還是國內都是一片空白，還處在理論上的研究階段，刀具的研制還不成熟。孫王路等對磨具的結構進行了初步的研究，磨具的材料使用立方氮化硼（CBN）。本文針對這一情況，對刀具的磨粒進行了研究，進一步完善這一理論。

1 CBN超硬磨具磨鉆小孔成形機理

鉆孔加工時的主切削刃是鉆頭端面的切削刃，刀具旋轉使切削刃切除材料并且軸向進給，完成孔的加工；磨鉆時，其主要切除金屬的磨粒也是處于磨鉆頭端面的磨粒。磨鉆鉆頭端面上排列著符合一定大小和規律的磨粒，在制造磨鉆頭時，需要保證從磨鉆頭端部中心到邊緣都有磨粒排列，即當把分布在磨鉆頭端部的磨粒按各自的半徑轉到同一半徑線上時，磨粒應填滿半徑線，不留空位，實際上形成一條類似于單刃鉆鉆刃，從而實現孔的磨鉆加工。

由于磨鉆鉆頭中心處與工件材料沒有產生相對運動，相對速度為零，理論上不能夠切除材料。實際上，如果位于磨鉆頭中心處的是粘結劑，而不是磨粒，那么位于中心點附近，或者緊挨著中心點處就會有磨粒，這樣與磨具中心點處接觸的材料只要稍微被擠壓，偏離中心，然后就會被中心周圍的磨粒切除；倘若超硬磨粒恰好位于磨鉆頭的中心點處，由于磨粒硬度遠高于被加工材料，切和被切材料沒有親和力，摩擦因數小，那么此時中心處的磨粒更易把中心處的材料擠壓偏離，最后切除材料，完成加工。

磨具由含立方氮化硼（CBN）顆粒的材料加工而成，磨具的端面有許多凸起的磨粒，磨粒為錐形，加工時刀具高速旋轉，實現磨粒與工件之間的高速相對運動，完成切削加工［2］。

圖1 磨粒與工件有限元模型

我們以單顆磨粒為例做一下具體闡述：單顆磨粒在磨鉆過程中與工件的作用情況，圖1就是磨粒與工件的位置。

磨粒自身沒有轉速，由磨具帶動相對于工件做單方向的切割運動。開始時磨粒與工件相對靜止，即磨具還未開始轉動；隨后磨粒與工件發生了接觸，此時的工件發生了變形，即可以恢復的彈性變形；磨粒繼續運動，當接觸處的材料達到它的斷裂值時進而產生磨屑；隨著磨粒繼續運動，磨屑不斷地產生，此時發生的是不可恢復的塑性變形。

2 磨具結構的優化

Deform-3D是一套基于有限元分析方法的工藝仿真系統，可以分析多種加工工藝，例如模鍛、板料沖壓、擠壓、軋制等等。Deform-3D專門提供了模擬切削、鉆削的平臺，有專門的入口進行過程設定。

首先在Pro-E5.0中建立刀具的三維模型。鉆尖118°，長 5 mm，直徑0.5 mm。磨具的磨粒有不同的錐尖角、密度［3］。圖 2顯示的是磨鉆的端部。

根據Deform-3D的仿真步驟，導入刀具模型、設定刀具、劃分刀具網格、工件的設置、劃分工件網格、設置模擬條件、檢查設置結果、退出前處理。其中在劃分刀具的網格時，Deform采用AMG（自適應網格劃分）技術來劃分網格并且刀具采用絕對類型，磨鉆網格數為35000，Size Ration為2；工件劃分網格，網格數為35000，Size Ration為1。網格劃分這么細密，其目的在于提高實驗數據的精確性。工件接觸屬性：摩擦因數0.5和導熱系數45 W/（m·K）［4］。

在仿真中選用的被加工材料為直徑5mm、厚度為1mm的鈦合金薄板，磨具基體為CBN。由于在加工過程中產生高溫，結合劑容易軟化而導致磨粒脫落，因此我們使用金屬結合劑［5］。磨粒為不同的形狀和不同的排列方式，磨具轉速為30 000 r/min。

2.1 不同錐尖角的磨粒磨具的仿真結果

仿真結果如表1、表2所示。

2.2 不同密度的磨粒磨具的仿真結果

仿真結果如表3、表4所示。

表1 被加工材料相對于不同錐尖角的磨粒磨具對應的應力、應變和位移

表2 不同錐尖角的磨粒磨具的載荷、扭矩和溫度變化范圍

表3 被加工材料相對于不同密度的磨粒磨具對應的應力、應變和位移

表4 不同密度的磨粒磨具的載荷、扭矩和溫度變化范圍［6］

3 結論

所有的仿真實驗都是在相同的參數條件下進行，根據得到的實驗數據，經分析我們可以得出以下結論：

1）對于不同錐尖角的磨具來說，通過實驗數據可以看出：磨具的錐尖角不同時，應力、應變、載荷、扭矩呈規律性變化，先變小再變大，錐尖角為90°時最??；溫度和位移的變化范圍都不大，錐尖角90°時溫度和位移比較小。因此錐尖角為90°時磨具最優。

2）對于不同的磨粒密度的磨具來說，通過實驗數據可以看出：應力、應變先逐漸減小再逐漸變大，磨粒間距0.009 mm時應力、應變最??；載荷、扭矩逐漸增大，對磨具的影響越來越大；溫度和位移的變化都不大，磨粒間距0.009 mm時溫度和位移比較小。綜合考慮，磨粒間距0.009 mm 時磨具最優［7］。

［1］ 厲鵬，張平寬，孫王路.CBN超硬磨具磨鉆鈦合金微小孔加工研究［J］.機械工程與自動化，2013（5）：101-102.

［2］ 黃輝，林思煌，徐西鵬.單顆金剛石磨粒磨削玻璃的磨削力研究［J］.中國機械工程，2010（11）：1278-1282.

［3］ 陳臣，王陽俊.顆粒增強鋁基復合材料小直徑孔磨削加工實驗研究［J］.機械工程師，2010（8）：33-34.

［4］ 施志輝，劉剛.應用于加工中心的轉削用量確定方法［J］.工具技術，2009，43（7）：61.

［5］ Zeng W M，Li Z C，Xu X P，et al.Experimental investigation of intermittent rotary ultrasonic machining ［J］.Key Engineering Materials，2008，359-360：425-430.

［6］ 王君明，葉人珍，湯漾平，等.單顆磨粒的平面磨削三維動態有限元仿真［J］.金剛石與磨料模具工程，2009（5）：41-45.

［7］ 馮寶富，趙恒華，蔡光起，等.高速單顆磨粒磨削機理的研究［J］.東北大學學報：自然科學版，2002（5）：470-473.