立方氮化硼（CBN）磨粒磨削TC4鈦合金的仿真研究

盧繼　張宇塵　彭瀟瀟

（長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南　長沙　410114）

立方氮化硼（CBN）磨粒磨削TC4鈦合金的仿真研究

盧繼張宇塵彭瀟瀟

（長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南長沙410114）

本文基于DEFROM-3D軟件開展了單顆立方氮化硼（CBN）磨粒磨削TC4鈦合金的仿真，對不同磨削速度和磨削深度下的工件磨削溫度、磨粒的磨損量進行了分析。通過仿真發現隨著磨粒切過工件的過程，工件的磨削溫度呈現出先快速增大達到最大值后緩慢下降的變化趨勢，而磨粒磨損量表現出先迅速增大然后緩慢增加的變化規律。

單顆磨粒；立方氮化硼；DEFEOM-3D；磨削溫度；磨損量

0　引言

鈦合金具有比強度高，熱穩定性好，高溫強度高，耐腐蝕等許多優點，在航空航天、國防軍工裝備等領域得到了廣泛的運用［1］。磨削加工是實現精密加工的重要加工方式，但是在磨削鈦合金過程中存在著砂輪黏附嚴重、磨削溫度高、砂輪磨損嚴重等難題［1］，在工程實踐中迫切需要解決。磨削加工的本質是大量隨機分布的單顆磨粒切削工件材料的過程，因此開展單顆磨粒磨削TC4鈦合金的仿真研究對于指導工程實踐具有重要的意義。在本文中，基于DEFROM-3D軟件，研究了超硬磨料立方氮化硼（CBN）單顆磨粒在不同磨削工藝參數下磨削TC4鈦合金的磨削特性。

1　仿真模型

1.1幾何、運動模型

在單顆磨粒的理論與仿真研究中通常將單顆磨粒簡化為圓錐形，在本文中將單顆磨粒簡化為帶圓角的圓錐形，錐頂角60°，圓錐底面直徑0.8mm。在以往的單顆磨粒仿真研究中將單顆磨粒與工件的運動設為直線劃擦模型［2，3］，而在實際的平面磨削過程中單顆磨粒與工件的接觸軌跡為一段弧線，因此直線劃擦模型具有一定的局限性，在本文中將單顆磨粒的運動方式設置為繞砂輪基體軸線高速旋轉，工件以一定的速度沿水平方向做進給運動，單顆磨粒以弧線軌跡切過工件，如圖1所示，圖中砂輪基體半徑50mm，內角20°，工件尺寸為3 mm×3 mm×0.5mm。

圖1　

1.2材料模型

單顆磨粒材料的硬度要高出工件材料的硬度許多，因此磨削過程中磨粒的應變可忽略不計，所以將單顆粒定義為剛性模型。本文仿真研究中采用TC4鈦合金作為工件材料，由于在金屬切削過程中材料的彈性變形量極其微弱，所以將工件材料設置成純塑性模型。采用Johnson-Cook本構方程描述TC4鈦合金工件材料流動應力的變化規律，表達式為：

式中，A為材料屈服強度，B為應變硬化系數，n為應變硬化指數，C為應變率強化系數，m為熱軟化系數，ε為等效塑性應變，為等效塑性應變率，Tm表示環境溫度，Tr表示材料的熔點。

TC4鈦合金的Johnson-Cook本構方程的各參數值如表1所示。

表1　TC4的Johnson-Cook本構方程的參數［4］

2　仿真過程

2.1仿真方案

為了探究磨削速度和磨削深度對CBN磨粒磨削TC4鈦合金磨削特性的影響，設置了單因素的對比仿真，仿真方案如表4所示。

表4　仿真方案

2.2仿真設置

DEFROM3D軟件提供了多種材料變形模擬方式，因此針對單顆CBN磨粒單次磨削TC4鈦合金的特征進行最優的仿真設置是保證仿真準確性和提高仿真效率的關鍵。在模擬控制中選擇Lagrangian Incremental模擬方式，Deformation和Heat Transfer 兩種模擬類型，設定模擬步數100步，選擇Sparse松弛求解法，Newton-Raphson牛頓拉夫森迭代法。在對象關系中設定磨粒為主件，工件為仆件，設置對象關系之間關系容差為0.001mm，設定摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數為系統默認值。在網格劃時，采用局部網格細化方式來提高磨粒與工件接觸區域的網格精度，工件網格總數目20×104個，磨粒網格總網格數目8×104個。

3　仿真結果與分析

3.1磨削參數對磨削溫度的影響

圖2所示為工件磨削劃痕的最大磨削溫度，由圖可知最大磨削溫度產生在切屑開始形成的位置，此時磨粒切入工件材料的深度達到最大，在磨粒的擠壓作用下工件材料發生強烈變形并開始生成切屑，工件材料變形以及磨粒與工件的摩擦作用釋放出來的熱量使局部區域的溫度急劇上升。圖3所示為不同磨削參數下磨削溫度的變化規律，由圖3（a）可知隨著磨削速度的增加磨削溫度顯著增大，當磨削速度為40m/s、磨削深度10μm時最大磨削溫度為730℃，由圖3（b）可知隨著磨削深度的增加磨削溫度顯著增大，當磨削深度為25μm、磨削速度30m/s時最大磨削溫度為980℃。

由圖3（a）與圖3（b）可以發現隨著仿真的進行，磨削溫度都呈現出先快速增大到最大值然后緩慢的減小趨勢。這是由于單顆CBN磨粒從開始接觸工件材料到完全切入工件，磨粒與工件的接觸深度與作用面積迅速增大使得工件材料變形量、磨粒與工件的相互摩擦都會快速增大，所以磨削溫度急劇增加，當達到最大磨削深度后單顆磨粒逐漸開始脫離工件，此時磨粒與工件的接觸深度和作用面積又會迅速減小，但是局部區域的高溫不會迅速降低，所以出現磨削溫度緩慢下降的現象。

圖2　典型磨削溫度云圖

圖3　磨削用量對磨削溫度的影響

3.2磨削參數對磨粒磨損量的影響

圖4所示為磨粒最大磨損量云圖，從圖中可以看出單顆CBN磨粒的磨損區域主要在磨粒圓錐頂端，并呈現出從錐頂向上逐漸擴展的趨勢。圖5所示為不同磨削參數下CBN磨粒最大磨損量的變化規律，由圖5（a）可知隨著磨削速度的增加，單顆磨粒的磨損顯著增大，當磨削速度為40m/s、磨削深度為10μm時最大磨損量為15.8×10-6mm，由圖5（b）可知隨著磨削深的增加單顆磨粒的磨損量增大，當磨削深度為25μm、磨削速度30m/s時最大磨損量為16.2×10-6mm。

由圖5（a）與圖5（b）可以發現隨著仿真的進行，CBN磨粒的磨損量呈現出先迅速增大然后緩慢增加的變化趨勢。DEFORM軟件的磨粒磨損仿真是基于Usui的粘接磨損模型進行的，Usui磨損模型提出單位時間內的磨損量與磨粒的應力、磨削溫度、磨削速度有直接的聯系［5］，從磨粒開始切入工件到磨粒與工件分離的過程中磨粒的磨削深度迅速增加然后逐漸減小，因此磨粒受到的接觸應力、磨削熱也會先急劇增大然后減弱。所以磨粒在磨削過程的前期會迅速磨損，隨著磨粒開始與工件分離磨損速度逐漸降低。

圖4　典型磨損量云圖

圖5　磨削用量對磨損量的影響

4　結論

（1）在磨削過程中，磨削溫度呈現出先迅速增大，達到最大值后緩慢減小的趨勢。而且隨著磨削速度和磨削深度的增加，磨削溫度顯著增加。

（2）在磨削過程中，磨粒的磨損量呈現出先迅速增大然后緩慢增加的趨勢。而且隨著磨削速度和磨削深度的增加，磨損量增大。

［1］ 任敬心，康仁科，王西彬.難加工材料磨削技術［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［2］ 言蘭，姜峰，融亦鳴.基于數值仿真技術的單顆磨粒切削機理.機械工程學報，2012，48（11）:172-182.

［3］ 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］.金剛石與磨料磨具工程，2009，173（5）:41-45.

［4］Yang S B，Xu J H，Wei W H，et al.Impact of hydrogenation on flow behavior of Ti6Al4V alloy.Aeronautica et Astronautica

Sinica，2010，31（5）:1093-1098.（in Chinese）.

［5］ 陳燕，楊寶樹，傅玉燦等.鈦合金TC4高速切削刀具磨損的有限元仿真［J］.航空學報，2013，34（9）:2230-2240.

TG580.1

A

1003-5168（2015）11-026-02

盧繼（1990-），男，碩士研究生，研究方向:精密加工技術。