防彈鋼磨削加工的有限元分析*

□ 范君艷 □ 田西榮 □ 任家隆

1.上海師范大學(xué)天華學(xué)院 上海 201815

2.江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 研究背景

磨削過程中，由于磨粒的高速切削和滑擦，使磨削區(qū)產(chǎn)生極高的溫度，往往會造成工件磨削表面燒傷，并導(dǎo)致砂輪嚴重磨損，使工件的精度和表面完整性受到破壞，工件甚至無法使用。針對以上情況，需要對磨削區(qū)進行冷卻，降低磨削溫度，進而提高工件磨削的表面質(zhì)量［1-2］。

采用PRO500防彈鋼作為工件材料，應(yīng)用ANSYS軟件熱分析功能，以水蒸氣為冷卻劑對磨削區(qū)進行強化換熱，研究在水蒸氣冷卻磨削條件下，不同磨削參數(shù)對磨削溫度場的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果對磨削冷卻原理和磨削冷卻工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

2 磨削條件

2.1 砂輪

采用氧化鋁砂輪，配合陶瓷結(jié)合劑。砂輪粒度為36，硬度等級為 J，外徑為 350 mm，寬度為 40 mm，熱導(dǎo)率為 30.1 W/（m·K）。

2.2 工件材料

工件材料為PRO500防彈鋼，密度為7 900 kg/m3，比熱容為 460 J/（kg·K）， 熱導(dǎo)率為 25.1 W/（m·K），抗拉強度為1 650 MPa，屈服強度為1 400 MPa，材料抗變形力大，磨削力大，極易發(fā)生磨削燒傷，常用于裝甲防彈車、潛艇等。

工件尺寸為20 mm×10 mm×5 mm，磨削方式為逆磨，傳入工件的熱量分配比例為0.454。

切向磨削力的大小與磨削參數(shù)有關(guān)，磨削參數(shù)不同時，切向磨削力的大小也不同。切向磨削力數(shù)據(jù)參考相關(guān)理論，并結(jié)合經(jīng)驗公式計算得到。

3 水蒸氣參數(shù)

水蒸氣噴嘴出口溫度為90℃，出口壓力為0.3 MPa，噴嘴直徑為3 mm，切向供汽，水蒸氣熱導(dǎo)率為0.024 W/（m·K），運動黏度為 27.44 m2/s，表面換熱系數(shù)為 25 000 W/（m2·K）。

4 有限元仿真

4.1 ANSYS簡介

ANSYS有限元分析軟件在熱分析問題方面具有強大功能，而且界面友好，能夠與多數(shù)計算機輔助設(shè)計軟件進行對接，易于掌握。ANSYS的后處理模塊能夠?qū)⒂嬎憬Y(jié)果以彩色等值線方式顯示。

4.2 建模

因為分析時需要在同一表面施加不同的熱載荷，所以需要在實體表面增加覆蓋一層表面熱效應(yīng)單元。在加載熱載荷時，熱流密度施加于實體表面，熱對流邊界施加于表面熱效應(yīng)單元。筆者選用可以覆蓋在任何三維熱單元表面的SURF152［3］作為熱效應(yīng)單元。

4.3 網(wǎng)格劃分

有限元模型網(wǎng)格劃分的好壞和網(wǎng)格數(shù)量的多少會直接影響求解的正確性、精度和速度。模型單元采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，單元之間用接觸面上的節(jié)點無間隙連接相接觸的兩個表面，實現(xiàn)零件之間的結(jié)合，作為一個整體進行分析。具體的有限元模型如圖1所示［4］。

▲圖1 有限元模型

4.4 初始條件與邊界條件

在有限元求解過程中，為獲得每個節(jié)點熱平衡方程的唯一解，必須附加一定的初始條件和邊界條件。在磨削過程中，忽略空氣的對流傳熱，僅考慮水蒸氣對磨削溫度場的對流傳熱，設(shè)置磨削工件的初始溫度為20℃。

為了估算磨削區(qū)的溫度分布情況和研究不同磨削參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律，必須建立一種既可以用數(shù)學(xué)計算又能夠模擬磨削實況的理論模型［5］。

磨削時由于磨削深度較小，接觸弧長也很短，因此可將磨削熱問題視作帶狀熱源在半無限體表面上移動的情況來考慮［6-7］。筆者選擇采用矩形移動熱源來模擬磨削溫度場。

ANSYS加載移動熱源時需要離散化，具體而言，需要在極短時間內(nèi)在某一磨削區(qū)加載固定熱源，并在下一個時間段使之迅速移動到另一區(qū)域，應(yīng)用時將前一次得到的結(jié)果作為當前的初始條件［8-9］。

5 結(jié)果分析

5.1 磨削溫度場整體分布

對模型添加有關(guān)材料參數(shù)，如密度、比熱容、熱導(dǎo)率等，通過計算，得到磨削溫度場的變化［10-11］。圖2、圖3所示分別為磨削過程中第6載荷步、第12載荷步溫度場分布。

▲圖2 第6載荷步溫度場分布

▲圖3 第12載荷步溫度場分布

通過以上載荷步溫度場的分布可知，隨著磨削時間的延長，磨削區(qū)的溫度逐漸升高，在第6載荷步時溫度為236.689℃，在第12載荷步時達到了238.286℃。

通過分析可知，水蒸氣對磨削區(qū)具有強化射流冷卻作用，能夠迅速降低工件表面的溫度，換熱效果非常明顯，與傳統(tǒng)的澆注冷卻相比具有很大優(yōu)勢。

5.2 磨削深度方向溫度場分布

▲圖4 磨削深度方向溫度場分布

如圖4所示，工件的溫度在磨削深度方向變化很大，由磨削表層向工件內(nèi)層呈遞減分布，近磨削表層區(qū)域溫度變化梯度較大，特別是距磨削表層2 mm之內(nèi)的區(qū)域，磨削溫度相差幾十甚至上百攝氏度。距磨削表層大于2 mm的區(qū)域，溫度變化則不大，且溫度很低，這是由于防彈鋼熱導(dǎo)率低所造成的。

5.3 工件進給速度對磨削溫度場的影響

設(shè)置基本條件如下：磨削深度為0.01 mm，砂輪磨削速度為26.38 m/s。

如圖5所示，在其它條件不變的情況下，僅改變工件進給速度，隨著進給速度的加快，磨削溫度逐漸上升，但磨削溫度上升的幅度很小，工件進給速度從1 m/min加快至3 m/min，磨削溫度只上升了62℃。由此可見，試驗中工件進給速度變化對磨削溫度的影響不是很大。

5.4 磨削深度對磨削溫度的影響

設(shè)置基本條件如下：砂輪磨削速度為26.38 m/s，工件進給速度為1 m/min。

如圖6所示，在其它條件不變的情況下，僅改變磨削深度，隨著磨削深度的增大，磨削溫度逐漸上升，而且磨削溫度上升的幅度很大。當磨削深度達到0.03 mm時，磨削溫度達到了504℃，可見PRO500是一種極難加工的材料，隨著磨削深度的繼續(xù)增大，會造成工件表面磨削燒傷。

▲圖5 不同工件進給速度下磨削溫度曲線

▲圖6 不同磨削深度下磨削溫度曲線

5.5 砂輪磨削速度對磨削溫度的影響

設(shè)置基本條件如下：工件進給速度為1 m/min，磨削深度為0.01 mm。

如圖7所示，在其它條件不變的情況下，僅改變砂輪磨削速度，和工件進給速度變化相似，隨著砂輪磨削速度的加快，工件磨削溫度上升的幅度很小,砂輪磨削速度由20 m/s加快至40 m/s，磨削溫度只上升了65℃。由此可見，試驗中砂輪磨削速度變化對磨削溫度的影響不是很大。

▲圖7 不同砂輪磨削速度下磨削溫度曲線

5.6 分析小結(jié)

由第5.3節(jié)可知，工件進給速度從1 m/min加快至3 m/min，工件的磨削溫度只上升了62℃。在其它條件不變的情況下，工件進給速度加快，意味著磨削效率提高，磨削面積增大，單位磨粒承受的工作量增大，砂輪磨損量增大，功耗增大，工件的磨削溫度理應(yīng)升高。但另一方面，由于工件進給速度加快，只是使單位時間經(jīng)過的磨削面積增大，而磨削力并沒有突然增大，只是承受力的頻次提高了，加之工件散熱同時加快，工件某一表面被磨削的時間縮短，因此總體上工件的磨削溫度雖然上升，但上升幅度有限。

由第5.4節(jié)可知，磨削深度增大，工件磨削溫度上升幅度較大，這是因為在其它條件不變的情況下，磨削深度增大，單位磨粒去除材料的負荷瞬時增大，能量消耗也增大。磨削耗能的增大是由磨削滑擦、刻劃產(chǎn)生的，能量基本上都轉(zhuǎn)換為摩擦熱，因此表現(xiàn)為磨削溫度上升，且上升幅度較大。

由第5.5節(jié)可知，砂輪磨削速度加快，工件磨削溫度上升，但上升幅度不大。這是因為磨削時，砂輪磨削速度加快，參與磨削單位體積材料的砂輪磨粒增多，單位磨粒承受的力反而減小，因此，雖然隨著砂輪磨削速度的加快，磨削效率提高，工件的磨削溫度上升，但由于有更多的磨粒參與磨削，工件磨削溫度上升的幅度并不大。

6 結(jié)論

應(yīng)用熱分析相關(guān)理論與ANSYS軟件對磨削過程中PRO500防彈鋼的磨削溫度場進行仿真，得出結(jié)論。

（1）水蒸氣對磨削區(qū)具有強化射流作用，能夠迅速降低工件表面的磨削溫度，換熱效果非常明顯。在砂輪磨削速度為26.38 m/s，工件進給速度為1 m/min，磨削深度不大于0.03 mm的情況下，水蒸氣冷卻能夠?qū)⒛ハ鳒囟瓤刂圃?10℃以內(nèi)。

（2）磨削深度、工件進給速度、砂輪磨削速度的改變對磨削溫度場均有一定影響。其中，磨削深度對磨削溫度的影響較大，工件進給速度和砂輪磨削速度對磨削溫度的影響較小。

（3）磨削溫度沿工件深度方向2 mm之內(nèi)變化很大，相差幾十甚至上百攝氏度。距磨削表層大于2 mm的區(qū)域，其磨削溫度變化不大，而且溫度很低。