有序化砂輪磨削筋條表面中力對表面的效應*

范之昊,呂玉山,李興山

(沈陽理工大學機械工程學院,沈陽 110159)

0 引言

REIF等[1]發現鯊魚皮表面結構在某些環境下可以減小其所受的摩擦阻力,這一發現直接逆轉了人們對于表面結構和摩擦阻力之間關系的認知,一系列相關研究就此展開。WALSH[2]通過對于多種結構的微溝槽表面的相關研究,得到了溝槽的寬度與深度都能夠直接影響微結構表面減阻效果的結論。這一成果,不僅證明了微結構表面能夠在相當程度上降低表面阻力的觀點,更是進一步表明了可以通過改變微結構表面相關參數來影響其減阻效果的觀點,為微觀結構化表面的減阻技術奠定了基礎。與此同時,結構化表面的制造方法的研究也得到了眾多學者的關注。多年來,諸多學者對于微觀結構化表面的制造提出了多種方法,比如壓刻工藝[3]、蝕刻技術[4]、振動滾軋法[5]等。相比于其他的加工方法,磨削加工法在硬脆材料、難加工材料和批量化生產的零件方面具有一定優勢。在磨削領域中,DENKENA等[6-7]使用輪廓移動重疊修整法,用以解決微筋條結構幾何尺寸小、難以修整等問題。謝晉等[8]使用碳化硅油石對金剛石砂輪進行修整,磨削出了溝槽尖角圓弧半徑為22～24 μm的溝槽。HEINZEL等[9]研制出了微磨粒有序化排布砂輪,將其應用于磨削光學玻璃的實驗中,實現了脆性材料的無損磨削。肖貴堅等[10]從單粒的角度出發研究了航發葉片的砂帶磨削機理。HASAN等[11]用磨粒特殊排布的砂輪磨削出了預想的疏水性結構化表面。

隨著結構化減阻表面的相關研究逐漸展開,由于加工過程中工件材料產生塑性變形,或導致磨削得到的結構化減阻表面并不能夠達到最佳效果。本文依托于計算機有限元對于磨粒有序化砂輪磨削筋條減阻表面進行力學仿真,探索磨削力與工件表面塑性隆起變形之間的關系,對提高筋條表面的磨削加工制造水平具有一定的理論意義和實際工程應用價值。對于完善結構化拓撲砂輪的磨削機理具有重要的參考價值。

1 錯位砂輪的設計

1.1 筋條減阻表面參數

筋條表面是由仿生鯊魚皮表面簡化而來,其減阻效果已經被諸多實驗進行了驗證。筋條減阻表面種類是多種多樣的,如圖1所示,最常見的有三角形溝槽型、半圓形溝槽型、矩形溝槽型等。其中包含3個主要的形貌參數,s代表相鄰兩條筋條間距,w代表單個加工溝槽的寬度,h代表單條筋條高度。

(a) 三角形溝槽 (b) 半圓形溝槽 (c) 矩形溝槽

對比研究發現,筋條表面的減阻特性與相關的特征參數即筋條高度h、筋條間距s、溝槽寬度w相關,而筋條截面的形狀卻對筋條表面的減阻效果影響不大。故此,本文選擇以其中一種,即三角形溝槽型筋條表面為例來展開探討。

綜合相關減阻方面的研究成果[12-14],具有減阻效果的筋條減阻表面具有的特征參數有:相鄰兩條筋條間距s、磨削溝槽寬度w、筋條高度h以及筋條高度與筋條間距的比值h/s;而當筋條間距s取在40～1000 μm,溝槽寬度w取在20～750 μm,筋條高度也就是溝槽深度h取在20～400 μm,溝槽深度與筋條間距的比值h/s在0.1～1之間時,筋條表面具有相當程度的減阻效果。

1.2 有序化砂輪的設計

依據上述筋條表面的形貌以及排布參數,對應的砂輪上磨粒的有序化排布方式分為3種,分別是磨粒葉序排布、磨粒錯位排布、磨粒陣列排布,本文選取錯位砂輪進行討論,錯位砂輪的排布樣式如圖2所示。

圖2 錯位排布砂輪

磨粒錯位排布砂輪的磨粒中心排布方程如式(1)所示。

(1)

式中:rs為砂輪半徑,rm為磨粒半徑,k為磨粒的列數,l為磨粒排布間距。而當fix(n/k)為奇數時,α=2×(n-1)×π/j;當fix(n/k)為偶數時,α=2×(n-1)×π/j+φ,φ為磨粒錯位角度。

根據筋條減阻表面的特征參數,設計出錯位砂輪。磨粒徑向排布間距l為0.35、0.4和0.45 mm,分別對應間距s為0.175、0.2和0.225 mm的筋條表面,磨粒錯位角度為3°,砂輪直徑D為20 mm。

2 有限元仿真的模型和參數

2.1 仿真模型的建立

本文依托于Abaqus進行仿真。為了提高仿真效率,同時考慮到錯位砂輪上的磨粒的排布在徑向上有交錯,不同位置的磨粒在切入工件的過程之中有先后之別,將砂輪簡化為磨粒位置交錯的雙排磨粒的抽象模型,如圖3a所示,將工件簡化為接觸弧長度的方塊,將磨削運動簡化為直線切削運動,其運動示意圖如圖3b所示,工件固定不動,砂輪以相對速度Vh向工件做直線切削運動。

(a) 雙排磨粒模型(b) 仿真磨削模型

2.2 仿真參數的確定

模型中,磨粒的粒度選擇磨粒粒度45/50,磨粒的直徑范圍為0.3～0.35 mm,公稱直徑d=0.327 5 mm。根據檢測以及統計分析得到磨粒角度的分布規律呈正態分布,其平均值大約在60°左右。因此,本次仿真主要選取磨粒角度為60°進行仿真。

仿真模型建立中使用兩種材料參數。其中工件設置為45鋼,使用的J-C本構模型[15]如表1所示,材料參數如表2所示。砂輪材料設置為CBN(立方氮化硼),其材料參數如表3所示。

表1 45鋼的J-C本構模型

表2 45鋼材料參數

表3 CBN材料參數

3 仿真結果與分析

砂輪表面磨粒陣列排布進行仿真。磨削出的筋條表面和材料隆起變形高度Δh如圖4所示。

圖4 仿真筋條表面和材料隆起變形高度

觀察發現,仿真成形的表面的確并非是理想中的光整表面。由于刀具與工件相互之間存在力效應,被加工材料發生了塑性變形,在刀具切削軌跡,也就是溝槽的兩側產生了材料的堆積。本文主要探索的就是材料塑性變形的高度與磨削力和各磨削參數之間的關系。

3.1 磨削速度對磨削力和材料變形高度的影響

選取磨粒間距為0.35 mm的錯位砂輪,選取切削深度為0.05 mm,磨粒露出高度選取磨粒的1/2～1/3,此處選取0.11 mm,磨粒角度2θ選擇60°,磨粒與工件之間的相對速度Vh選取10、15、20、25和30 m/s,其中包括砂輪線速度與工件的進給速度,此處不對二者進行分別討論。磨削速度對加工表面的影響如圖5所示,磨削的相對速度Vh與磨削力F以及工件表面隆起變形高度Δh的關系如圖6所示。

(a) Vh=10 m/s (b) Vh=20 m/s (c) Vh=30 m/s

由圖6可知,隨著磨削速度增大,磨削力逐漸增大,材料變形高度逐漸減小。也就是說,在改變磨削速度時,磨削力越大,材料變形高度越小。

當材料變形速度較低時,工件表面主要受材料硬化影響,隨著材料變形速度逐漸變大,由于材料變形程度不充分而導致材料變形高度逐漸減小;而當速度較高時,由于加工區域溫度過高,材料軟化的程度要高于材料硬化程度,此時隨著切削速度增大,材料的變形趨勢也隨之增大,導致工件表面的材料隆起變形高度變大。

3.2 磨削深度對磨削力和材料變形高度的影響

選取磨粒間距為0.35 mm的錯位砂輪,選取相對速度為20 m/s,磨粒角度選取60°,切削深度ap選取0.05、0.06、0.07、0.08和0.09 mm。仿真得到的表面如圖7所示,磨削深度ap與磨削力F以及工件表面變形高度Δh的關系如圖8所示。

(a) ap=0.05 mm (b) ap=0.07 mm (c) ap=0.09 mm

圖8 磨削深度對磨削力和材料隆起變形高度的影響

由圖8可知,材料隆起變形高度隨著磨削深度的增大而增大。同時,材料隆起變形高度隨著磨削力的增大而增大。在改變磨削深度的過程中,材料隆起變形高度隨著磨削力的增大而增大。

在其他條件均保持不變的情況下,磨削深度越大,相應的未變形切屑厚度越大,磨削部分的截面積也就越大,導致磨削力隨之增大;磨削部分截面積增大,導致切屑體積增大,磨粒與工件接觸部位的材料向兩側堆積的趨勢隨之變大,最終導致溝槽兩側材料隆起變形高度增大。

3.3 磨粒角度對磨削力和材料變形高度的影響

選取磨粒間距為0.35 mm的錯位砂輪,切削深度為0.09 mm,磨削相對速度為20 m/s,磨粒角選擇30°、45°、60°、90°和120°,仿真得到的表面如圖9所示,磨粒角度對磨削力以及工件表面隆起變形變形高度的影響如圖10所示。

(a) 2θ=30°(b) 2θ=60°(c) 2θ=120°

圖10 角度對磨削力和材料隆起變形高度的影響

其中,當角度為30°、45°和60°時,磨削力F和材料隆起變形高度Δh都隨著角度變大而變大,可是在90°和120°時,只有磨削力F隨著角度變大而變大,材料變形高度Δh卻隨著角度變大而減小。當磨粒角度增大,磨削部分的截面積逐漸增大,磨削力也隨之增大;磨粒角度增大,切屑體積隨之增大,因此材料向兩側變形的趨勢增大,材料隆起變形高度增大。然而當磨粒角度大于60°時工件材料的變形逐漸由向上隆起變為向側向流動,導致材料的隆起變形高度降低。

由圖10可知,磨粒角度從60°向120°變化時,磨粒的運動軌跡會在工件表面以下交叉,這就導致隆起的材料會被切削掉一部分,材料變形高度會逐漸減小。磨粒角度為120°時材料變形高度最小,其截面圖如圖11a所示。

(a) 120°筋條表面

隨著磨粒角度逐漸變大,一個現象越發明顯。如圖11a所示,左數第1、3、5條溝槽為第1排磨粒所磨削,第2、4條溝槽為第2排錯位磨粒所磨削,先生成的磨料溝的截面積明顯小于后生成的磨料溝的截面積,因為第2排磨粒在切削工件時會使材料發生變形,使得筋條向已經生成的溝槽方向發生偏移,最終導致筋條形狀和位置發生改變;而30°磨粒磨削出的筋條截面如圖11b所示。將圖11a與圖11b進行對比,不難發現筋條表面的形貌受磨粒角度影響。當磨粒角度越大,筋條寬度越小,筋條表面會逐漸從溝槽相離型,變為相接型和相交型表面。

3.4 排布參數對磨削力和材料變形高度的影響

條件1選取磨粒角度為60°,切削深度為0.05 mm,相對速度為30 m/s,選取排布參數為0.35、0.4、0.45 mm的3種砂輪磨削得到的加工表面如圖12所示;條件2選取磨粒角度為90°,切削深度為0.087 5 mm,相對速度為20 m/s,選取排布參數s為0.35、0.4和0.45 mm的3種砂輪磨削得到的加工表面如圖13所示。

(a) l=0.35 mm (b) l=0.4 mm (c) l=0.45 mm

(a) l=0.35 mm (b) l=0.4 mm (c) l=0.45 mm

兩種情況下仿真得到的排布參數對磨削力和工件表面隆起高度的影響分別如圖14和圖15所示。隨著磨粒距離變大,磨削力逐漸變大,材料隆起變形高度也逐漸變大,磨粒距離最小時材料隆起變形高度最小。在錯位砂輪上的磨粒切入工件的過程中,第1排磨粒首先切入工件,并使得切削部分周圍的材料發生塑性變形,使其金屬晶格之間的位錯增大,使得第2排磨粒切入工件時變得更加容易,產生的磨削力也隨之降低。而磨粒之間的排布間距越小,第1排磨粒對相鄰材料產生的破壞越顯著,使得第2排磨粒切削時產生的磨削力與材料塑性變形都在減小,而這種情況在磨粒排布間距逐漸增大時的到改變。綜上所述,磨粒排布間距越小,磨削力和材料隆起變形高度越小;磨粒排布間距越大,磨削力和材料隆起變形高度越大。

圖14 條件1時排布參數對磨削力和材料隆起變形高度的影響

同時,在l=0.35 mm這組仿真里,本應出現的相接型筋條表面并未出現,而是出現了如圖13a所示的帶有一定寬度的筋條表面。其原因也是因為對于同一筋條左右兩側的磨削過程有先后之差,而在切削過程中,由于材料發生塑性變形,部分材料對磨粒進行了退讓,導致有一些本該被切除的部分被保留下來,最終形成了這樣的表面。這種情況在排布間距更小、切削深度更大或磨粒角度更大時得到解決。

4 結論

根據上述條件下對筋條結構化減阻表面磨削過程的仿真,得到以下結論:

(1)隨著磨削速度的增大,磨削力會減小,材料變形高度在增大。隨著切削深度的增大,磨削力也會增大,材料變形高度也會增大。隨著磨粒角度的增大,磨削力也會隨之增大;而材料變形高度隨著角度的增加,會先增大而后減小。磨粒的排布間距增大,磨削力會隨之增大,材料的隆起變形高度也會隨之減小。

(2)在錯位砂輪磨削溝槽時,生成相鄰溝槽的磨粒切入工件有先后之別。由于切削過程中工件材料會發生塑性形變,筋條會向先生成溝槽的那一側偏移;而當磨粒角度發生變化時,筋條的寬度也會發生變化。有一定可能性導致筋條排布距離發生細微變化。這些都會導致工件表面的筋條排布不均勻以及筋條變形等原因,這些也許會影響筋條表面的減阻效果。