平面磨削有限元仿真及磨削建模GUI平台开发

摘要

随着现代制造业的不断发展，产品制造理念已经从原来的成形加工向追求高精度、高性能和高品质转变。磨削由于其加工质量和加工效率较高，目前已经成为零件制造的主要加工方式，占机械加工总量的30％-40％。但由于砂轮形貌的复杂性，使得对磨削机理的研究、磨削加工结果的预测变得困难。随着计算机技术的不断发展，仿真计算已经成为研究磨削机理和预测磨削过程的有效手段。通过开发磨削仿真建模平台，为磨削仿真提供磨粒和砂轮模型，再结合有限元方法，可以实现对磨削过程和磨削加工规律的高效研究。 本文使用Dialnspect-OSM超硬磨料自动分析系统和VHX-2000FE的超景深显微镜对60#～70#的金刚石磨粒和粒度为80/100的CBN砂轮进行了观测，对金刚石和CBN磨粒的形状和尺寸、砂轮表面形貌、砂轮表面磨粒分布规律进行了研究;基于虚拟球相切平面空间切分正六面体基体的磨粒建模算法和砂轮表面磨粒有序布置后由随机函数控制偏移的砂轮建模算法，基于Abaqus对磨削建模GUI平台进行了开发;使用平台参数化创建单颗磨粒模型和砂轮模型进行磨削有限元仿真;结合GCr15钢平面磨削试验，研究了磨削工艺参数对磨削过程中磨削力的影响以及磨削加工后工件表面粗糙度和工件残余应力的影响。 研究结果表明:(1)CBN磨粒和金刚石磨粒形状多为八到十四面体，尺寸在一个范围内服从正态分布。砂轮表面由众多磨粒随机分布，通过结合剂与砂轮基体结合，磨粒出刃高度服从正态分布;(2)磨削建模GUI平台可以参数化生成随机多面体磨粒和仿真砂轮模型，磨削力仿真结果与试验结果趋势一致，磨削力随着工件进给速度的增大或磨削深度的增大而增大，仿真所得法向磨削力最大误差为9.65％，远小于切向磨削力最大误差;(3)GCr15钢平面磨削其它工艺参数一定的情况下，表面残余压应力随着工件进给速度的增大而逐渐减小，随着磨削深度的增加也逐渐减小，当磨削深度达到20μm时残余压应力转变成拉应力;仿真得到工件表层残余应力的分布与试验所得结果总体趋势一致但具体数值上与试验存在一定误差。 总体来看，仿真结果与试验结果具有一致性，证明了磨削建模GUI平台的有效性，但仿真精度还需进一步提高，研究结果为使用有限元方法研究磨削机理和控制加工质量提供了新思路。