有序化砂轮磨削筋条表面中力对表面的效应*

范之昊,吕玉山,李兴山

(沈阳理工大学机械工程学院,沈阳 110159)

0 引言

REIF等[1]发现鲨鱼皮表面结构在某些环境下可以减小其所受的摩擦阻力,这一发现直接逆转了人们对于表面结构和摩擦阻力之间关系的认知,一系列相关研究就此展开。WALSH[2]通过对于多种结构的微沟槽表面的相关研究,得到了沟槽的宽度与深度都能够直接影响微结构表面减阻效果的结论。这一成果,不仅证明了微结构表面能够在相当程度上降低表面阻力的观点,更是进一步表明了可以通过改变微结构表面相关参数来影响其减阻效果的观点,为微观结构化表面的减阻技术奠定了基础。与此同时,结构化表面的制造方法的研究也得到了众多学者的关注。多年来,诸多学者对于微观结构化表面的制造提出了多种方法,比如压刻工艺[3]、蚀刻技术[4]、振动滚轧法[5]等。相比于其他的加工方法,磨削加工法在硬脆材料、难加工材料和批量化生产的零件方面具有一定优势。在磨削领域中,DENKENA等[6-7]使用轮廓移动重叠修整法,用以解决微筋条结构几何尺寸小、难以修整等问题。谢晋等[8]使用碳化硅油石对金刚石砂轮进行修整,磨削出了沟槽尖角圆弧半径为22～24 μm的沟槽。HEINZEL等[9]研制出了微磨粒有序化排布砂轮,将其应用于磨削光学玻璃的实验中,实现了脆性材料的无损磨削。肖贵坚等[10]从单粒的角度出发研究了航发叶片的砂带磨削机理。HASAN等[11]用磨粒特殊排布的砂轮磨削出了预想的疏水性结构化表面。

随着结构化减阻表面的相关研究逐渐展开,由于加工过程中工件材料产生塑性变形,或导致磨削得到的结构化减阻表面并不能够达到最佳效果。本文依托于计算机有限元对于磨粒有序化砂轮磨削筋条减阻表面进行力学仿真,探索磨削力与工件表面塑性隆起变形之间的关系,对提高筋条表面的磨削加工制造水平具有一定的理论意义和实际工程应用价值。对于完善结构化拓扑砂轮的磨削机理具有重要的参考价值。

1 错位砂轮的设计

1.1 筋条减阻表面参数

筋条表面是由仿生鲨鱼皮表面简化而来,其减阻效果已经被诸多实验进行了验证。筋条减阻表面种类是多种多样的,如图1所示,最常见的有三角形沟槽型、半圆形沟槽型、矩形沟槽型等。其中包含3个主要的形貌参数,s代表相邻两条筋条间距,w代表单个加工沟槽的宽度,h代表单条筋条高度。

(a) 三角形沟槽 (b) 半圆形沟槽 (c) 矩形沟槽

对比研究发现,筋条表面的减阻特性与相关的特征参数即筋条高度h、筋条间距s、沟槽宽度w相关,而筋条截面的形状却对筋条表面的减阻效果影响不大。故此,本文选择以其中一种,即三角形沟槽型筋条表面为例来展开探讨。

综合相关减阻方面的研究成果[12-14],具有减阻效果的筋条减阻表面具有的特征参数有:相邻两条筋条间距s、磨削沟槽宽度w、筋条高度h以及筋条高度与筋条间距的比值h/s;而当筋条间距s取在40～1000 μm,沟槽宽度w取在20～750 μm,筋条高度也就是沟槽深度h取在20～400 μm,沟槽深度与筋条间距的比值h/s在0.1～1之间时,筋条表面具有相当程度的减阻效果。

1.2 有序化砂轮的设计

依据上述筋条表面的形貌以及排布参数,对应的砂轮上磨粒的有序化排布方式分为3种,分别是磨粒叶序排布、磨粒错位排布、磨粒阵列排布,本文选取错位砂轮进行讨论,错位砂轮的排布样式如图2所示。

图2 错位排布砂轮

磨粒错位排布砂轮的磨粒中心排布方程如式(1)所示。

(1)

式中:rs为砂轮半径,rm为磨粒半径,k为磨粒的列数,l为磨粒排布间距。而当fix(n/k)为奇数时,α=2×(n-1)×π/j;当fix(n/k)为偶数时,α=2×(n-1)×π/j+φ,φ为磨粒错位角度。

根据筋条减阻表面的特征参数,设计出错位砂轮。磨粒径向排布间距l为0.35、0.4和0.45 mm,分别对应间距s为0.175、0.2和0.225 mm的筋条表面,磨粒错位角度为3°,砂轮直径D为20 mm。

2 有限元仿真的模型和参数

2.1 仿真模型的建立

本文依托于Abaqus进行仿真。为了提高仿真效率,同时考虑到错位砂轮上的磨粒的排布在径向上有交错,不同位置的磨粒在切入工件的过程之中有先后之别,将砂轮简化为磨粒位置交错的双排磨粒的抽象模型,如图3a所示,将工件简化为接触弧长度的方块,将磨削运动简化为直线切削运动,其运动示意图如图3b所示,工件固定不动,砂轮以相对速度Vh向工件做直线切削运动。

(a) 双排磨粒模型(b) 仿真磨削模型

2.2 仿真参数的确定

模型中,磨粒的粒度选择磨粒粒度45/50,磨粒的直径范围为0.3～0.35 mm,公称直径d=0.327 5 mm。根据检测以及统计分析得到磨粒角度的分布规律呈正态分布,其平均值大约在60°左右。因此,本次仿真主要选取磨粒角度为60°进行仿真。

仿真模型建立中使用两种材料参数。其中工件设置为45钢,使用的J-C本构模型[15]如表1所示,材料参数如表2所示。砂轮材料设置为CBN(立方氮化硼),其材料参数如表3所示。

表1 45钢的J-C本构模型

表2 45钢材料参数

表3 CBN材料参数

3 仿真结果与分析

砂轮表面磨粒阵列排布进行仿真。磨削出的筋条表面和材料隆起变形高度Δh如图4所示。

图4 仿真筋条表面和材料隆起变形高度

观察发现,仿真成形的表面的确并非是理想中的光整表面。由于刀具与工件相互之间存在力效应,被加工材料发生了塑性变形,在刀具切削轨迹,也就是沟槽的两侧产生了材料的堆积。本文主要探索的就是材料塑性变形的高度与磨削力和各磨削参数之间的关系。

3.1 磨削速度对磨削力和材料变形高度的影响

选取磨粒间距为0.35 mm的错位砂轮,选取切削深度为0.05 mm,磨粒露出高度选取磨粒的1/2～1/3,此处选取0.11 mm,磨粒角度2θ选择60°,磨粒与工件之间的相对速度Vh选取10、15、20、25和30 m/s,其中包括砂轮线速度与工件的进给速度,此处不对二者进行分别讨论。磨削速度对加工表面的影响如图5所示,磨削的相对速度Vh与磨削力F以及工件表面隆起变形高度Δh的关系如图6所示。

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

由图6可知,随着磨削速度增大,磨削力逐渐增大,材料变形高度逐渐减小。也就是说,在改变磨削速度时,磨削力越大,材料变形高度越小。

当材料变形速度较低时,工件表面主要受材料硬化影响,随着材料变形速度逐渐变大,由于材料变形程度不充分而导致材料变形高度逐渐减小;而当速度较高时,由于加工区域温度过高,材料软化的程度要高于材料硬化程度,此时随着切削速度增大,材料的变形趋势也随之增大,导致工件表面的材料隆起变形高度变大。

3.2 磨削深度对磨削力和材料变形高度的影响

选取磨粒间距为0.35 mm的错位砂轮,选取相对速度为20 m/s,磨粒角度选取60°,切削深度ap选取0.05、0.06、0.07、0.08和0.09 mm。仿真得到的表面如图7所示,磨削深度ap与磨削力F以及工件表面变形高度Δh的关系如图8所示。

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

图8 磨削深度对磨削力和材料隆起变形高度的影响

由图8可知,材料隆起变形高度随着磨削深度的增大而增大。同时,材料隆起变形高度随着磨削力的增大而增大。在改变磨削深度的过程中,材料隆起变形高度随着磨削力的增大而增大。

在其他条件均保持不变的情况下,磨削深度越大,相应的未变形切屑厚度越大,磨削部分的截面积也就越大,导致磨削力随之增大;磨削部分截面积增大,导致切屑体积增大,磨粒与工件接触部位的材料向两侧堆积的趋势随之变大,最终导致沟槽两侧材料隆起变形高度增大。

3.3 磨粒角度对磨削力和材料变形高度的影响

选取磨粒间距为0.35 mm的错位砂轮,切削深度为0.09 mm,磨削相对速度为20 m/s,磨粒角选择30°、45°、60°、90°和120°,仿真得到的表面如图9所示,磨粒角度对磨削力以及工件表面隆起变形变形高度的影响如图10所示。

(a) 2θ=30°(b) 2θ=60°(c) 2θ=120°

图10 角度对磨削力和材料隆起变形高度的影响

其中,当角度为30°、45°和60°时,磨削力F和材料隆起变形高度Δh都随着角度变大而变大,可是在90°和120°时,只有磨削力F随着角度变大而变大,材料变形高度Δh却随着角度变大而减小。当磨粒角度增大,磨削部分的截面积逐渐增大,磨削力也随之增大;磨粒角度增大,切屑体积随之增大,因此材料向两侧变形的趋势增大,材料隆起变形高度增大。然而当磨粒角度大于60°时工件材料的变形逐渐由向上隆起变为向侧向流动,导致材料的隆起变形高度降低。

由图10可知,磨粒角度从60°向120°变化时,磨粒的运动轨迹会在工件表面以下交叉,这就导致隆起的材料会被切削掉一部分,材料变形高度会逐渐减小。磨粒角度为120°时材料变形高度最小,其截面图如图11a所示。

(a) 120°筋条表面

随着磨粒角度逐渐变大,一个现象越发明显。如图11a所示,左数第1、3、5条沟槽为第1排磨粒所磨削,第2、4条沟槽为第2排错位磨粒所磨削,先生成的磨料沟的截面积明显小于后生成的磨料沟的截面积,因为第2排磨粒在切削工件时会使材料发生变形,使得筋条向已经生成的沟槽方向发生偏移,最终导致筋条形状和位置发生改变;而30°磨粒磨削出的筋条截面如图11b所示。将图11a与图11b进行对比,不难发现筋条表面的形貌受磨粒角度影响。当磨粒角度越大,筋条宽度越小,筋条表面会逐渐从沟槽相离型,变为相接型和相交型表面。

3.4 排布参数对磨削力和材料变形高度的影响

条件1选取磨粒角度为60°,切削深度为0.05 mm,相对速度为30 m/s,选取排布参数为0.35、0.4、0.45 mm的3种砂轮磨削得到的加工表面如图12所示;条件2选取磨粒角度为90°,切削深度为0.087 5 mm,相对速度为20 m/s,选取排布参数s为0.35、0.4和0.45 mm的3种砂轮磨削得到的加工表面如图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

两种情况下仿真得到的排布参数对磨削力和工件表面隆起高度的影响分别如图14和图15所示。随着磨粒距离变大,磨削力逐渐变大,材料隆起变形高度也逐渐变大,磨粒距离最小时材料隆起变形高度最小。在错位砂轮上的磨粒切入工件的过程中,第1排磨粒首先切入工件,并使得切削部分周围的材料发生塑性变形,使其金属晶格之间的位错增大,使得第2排磨粒切入工件时变得更加容易,产生的磨削力也随之降低。而磨粒之间的排布间距越小,第1排磨粒对相邻材料产生的破坏越显著,使得第2排磨粒切削时产生的磨削力与材料塑性变形都在减小,而这种情况在磨粒排布间距逐渐增大时的到改变。综上所述,磨粒排布间距越小,磨削力和材料隆起变形高度越小;磨粒排布间距越大,磨削力和材料隆起变形高度越大。

图14 条件1时排布参数对磨削力和材料隆起变形高度的影响

同时,在l=0.35 mm这组仿真里,本应出现的相接型筋条表面并未出现,而是出现了如图13a所示的带有一定宽度的筋条表面。其原因也是因为对于同一筋条左右两侧的磨削过程有先后之差,而在切削过程中,由于材料发生塑性变形,部分材料对磨粒进行了退让,导致有一些本该被切除的部分被保留下来,最终形成了这样的表面。这种情况在排布间距更小、切削深度更大或磨粒角度更大时得到解决。

4 结论

根据上述条件下对筋条结构化减阻表面磨削过程的仿真,得到以下结论:

(1)随着磨削速度的增大,磨削力会减小,材料变形高度在增大。随着切削深度的增大,磨削力也会增大,材料变形高度也会增大。随着磨粒角度的增大,磨削力也会随之增大;而材料变形高度随着角度的增加,会先增大而后减小。磨粒的排布间距增大,磨削力会随之增大,材料的隆起变形高度也会随之减小。

(2)在错位砂轮磨削沟槽时,生成相邻沟槽的磨粒切入工件有先后之别。由于切削过程中工件材料会发生塑性形变,筋条会向先生成沟槽的那一侧偏移;而当磨粒角度发生变化时,筋条的宽度也会发生变化。有一定可能性导致筋条排布距离发生细微变化。这些都会导致工件表面的筋条排布不均匀以及筋条变形等原因,这些也许会影响筋条表面的减阻效果。