基于Deform+3D的高速超高速磨削温度的仿真研究

盎司：京飘御诌与份ｊ投本１

Ｔｏｐｉｃｓ：Ｖｉｒｔｕａｌ

Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄ

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌ

基于Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ的高速超高速磨削温度的仿真研究。

沈琳燕

李蓓智

杨建国

冯瑞金

周振新

（东华大学机械工程学院，上海２０１６２０）

摘要：采用有限元分析软件Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ建立了适合高速磨削仿真的Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ材料本构模型，构建了

反映金属磨削过程高温、大应变及高应变率状态的切削模型，模拟了４０Ｃｒ钢磨削加工过程，对磨削弧区温度场、热流以及温度变化的仿真结果进行了分析，验证了有限元模型的合理性。为实现对工艺参数的优化选择奠定了理论基础。

关键字：高速磨削Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ仿真温度

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎＵｌｔｒａ－ｈｉｇｈＳｐｅｅｄＧｒｉｎｄｉｎｇＢａｓｅｄ

（Ｓｃｈｏｏｌ

Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ

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ＳＨＥＮＬｉｎｙａｎ。ＬＩＢｅｉｚｈｉ，ＹＡＮＧＪｉａｎｇｕｏ，ＦＥＮＧＲｕｉｊｉｎ，ＺＨＯＵＺｈｅｎｘｉｎ

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，ＣＨＮ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｏｒｍ３Ｄｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄ

ｔｏｃｒｅａｔｅ

ｔｈｅＪｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋｍａ—

ｔｏ

ｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｆｏｒｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ。ｌａｒｇｅｓｔｒａｉｎａｎｄｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒｉｎｄｉｎｇ４０Ｃｒｓｔｅｅｌ，ａｓｗｅｌｌｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｌａｉｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＧｒｉｎｄｉｎｇ；Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

磨削技术在材料加工中有着极其苇要的地位，它不仅是大部分产品形成前的最后一道工序，而且随着磨削技术的飞速发展，磨削加工的能力和范围也正在１３益扩大。超高速磨削是一种能高效、经济地制造高质量零件的现代加工技术，它叮大大提高ＪｊⅡ－ｒ生产率和工件表面质量，并能实现粘性金属和脆性金属等难加工材料的精加工，大幅度缩短产品的生产制造周期，降低加工成本¨刁１。

但由于实际加工过程中的磨削温度、应力、应变等的测量极其困难，单纯依靠实验很难对磨削机理进行深入地研究。采用有限元法分析外圆磨削加工过程不仅有利于对磨削机理的理解，而且也是机械加工工艺优化的有利工具。与直接实验方法相比，该方法费用低，耗时短，在考虑多因素时其优势尤为屁著，同时，随着计算机运算和视觉技术的发展，也必将促进虚拟加工的进一步发展Ｈ。Ｊ。

Ｌｉｕ等∞。对纳米结构涂层材料的微磨采用热弹塑性有限元方法建立了２Ｄ模型，指出磨粒切削作用和

挤光效应是磨削后涂层中应力改变的主要原因；Ｈ６ｄｉ等一’提出了ＡＩＳＩ５２１００钢磨削过程的有限元热力耦合２Ｄ模型；ＳＴＲＥＮＫＯＷＳＫＩ等一。采用了基于Ｅｕｌｅｒｉａｎ的正交有限元切削模型与基于ＵＳＵＩ的３Ｄ切削分析模型相耦合的方法，提出３Ｄ切削的预算模型；明兴祖等一ｊ采用ＰＲＡＮＤＴＬ—ＲＥＵＳＳ方法建立了应力应变场本构关系，构造了３Ｄ力热耦合磨齿模型。

本文运用商业化软件ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ，针对工程常用材料４０Ｃｒ钢进行了高速超高速磨削工艺仿真试验，对其砂轮线速度在６０～２１０ｍ／ｓ条件下的磨削弧区温度进行对比分析，揭示超高速磨削的磨削温度变化规律和机理，实现对工艺参数的优化选择提供理论依据。

１

１．１

有限元模拟的理论基础

Ｊ－Ｃ材料本构模型的建立

本文采用４０Ｃｒ钢作为工件材料，并用Ｊｏｈｎｓｏｎ—

Ｃｏｏｋ（Ｊ－Ｃ）材料本构模型描述Ｔ件材料。Ｊ—Ｃ材料模型是一个能反映应变率强化效应和温升软化效应的理

木上海市重点学科建设项Ｉｑ资助（Ｂ６０２），国家９７３计划项目资助（２００９ＣＢ７２４４０３）

鼍乡象鲁磐等

万方数据

２５

Ｉ竞蔼：京弧铷诌与碍罩敖木

想刚塑性强化模型，该模型利用变量乘积关系分别描述应变、应变率和温度的影响。该模型具体表述式如下：

Ｇｒ＝［Ａ＋口（７）“］［１＋明ｎ；‘］［１一（Ｔ’）”］（１）式中：Ａ、Ｂ、Ｃ、凡、ｍ分别为材料参数；；‘为量纲（应变率），；＋＝７／；。；７为有效塑性应变率；；。为参考塑性应变率，一般取Ｇ４０＝１ｓ～；Ｔ＋为量纲（温度），Ｔ’＝（Ｔ—ｔ）／（Ｌ—ｚ）；ｚ为参考温度；ｒｍ为熔点温度；Ｔ为样品环境温度。

Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ材料模型实际上给出的是ｙｏｎ—Ｍｉ一￥ｅＳ流动应力矿。与等效塑性应变彰、相对等效塑性应

变率；＋＝彰／蠢和无量纲温度ｒ。之间的函数关系。

同时，给出了断裂应变的表达式。

１．２

自适应网格重划分技术

金属磨削过程可以看作是无数个微型刀具作切削

加工，其形成过程即为工件产生塑性变形并发生切屑与工件的分离。所采用的有限元法主要有两种，即弹塑性有限元法和刚塑性有限元法。在工件尺寸、网格划分数量等条件相同的情况下，两者所得出的应力、应变、温度分析结果几乎相同。由于本文对工件加工后的残余应力和回弹问题不予研究，故采用刚塑性有限元模型即可，它的求解速度比弹塑性有限元模型快３～５倍。

采用刚塑性有限元模型（更新的拉格朗日方法）模拟磨削加工过程属于典型的几何非线性问题，同时还具有连续性和动态性的特征。随着磨粒与工件的接触，工件材料发生塑性变形，材料初始网格产生畸变、退化，这种网格的严重畸变会导致求解精度的降低或者计算不收敛。为了避免此种情况的出现，在有限元仿真过程中必须采用自适应网格重划分技术（Ｒｅｍｅｓｈｉｎｇ）。随着砂轮的进给，工件被加工部分实现网格细分，而没有加工的部分或者已加工部分，网格较粗，这样既保证了局部变形的求解精度降低问题，又节省了求解时间和内存的消耗。

２有限元模型的建立

本文建立了基于单颗磨粒外圆磨削过程仿真的有限元模型，如图ｌ所示。单颗磨粒以一定的速度与工件发生作用，在磨削区发生了复杂的物理、化学变化，工件产生了非线性的弹塑性变形。ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ是一个基于工艺模拟系统的有限元系统（ＦＥＭ），可用于分析各种金属加工过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，以及加工过程中的材料和温度流动。２．１几何模型的建立

２６

万方数据

在ＵＧ５．０中画出单颗磨粒的砂轮及工件的三维实体图，保存成．ｓｔｌ文件形式输出，在ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ前处理中导入三维几何模型，其中Ｔｏｐ－Ｄｉｅ为砂轮，设置成刚性（ｒｉｇｉｄ）；Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ为工件，设置为塑性（ｐｌａｓ—ｔｉｃ）。为方便进行工件的前处理设置以及提高求解速度，在本研究中，取工件的１／４作为研究对象，如图２所示。

图１单颗磨粒外圆磨削的仿真模型

图２单颗磨粒仿真的有限元模型２．２预处理设置

预处理设置作为加工仿真分析的准备工作，主要完成前处理设置、生成数据库和模拟运算三个步

骤㈨。

在仿真控制（ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒ０１）中设置仿真步数为８０步，时间增量为１ｘ１０～Ｓ，存储增鼍为每２步保存一次，时间步长设置不能太大，否则会降低求解精度，导致网格严重畸变甚至不收敛。采用国标单位标准ｓＩ，仿真模式为热传递（ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ）和变形（Ｄｅ．ｆｏｒｍ）；迭代方法（ＩｔｅｒａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）采用Ｄｉｒｅｃｔ

ｉｔｅｒａ．

ｔｉｏｎ；求解器（ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｏｌｖｅｒ）采用共轭梯度法（Ｃｏｎｊｕｇａｔｅ－ＧｒａｄｉｅｎｔＳｏｌｖｅｒ），Ｃ—Ｇ法为ＤＥＦＯＲＭ

３Ｄ

脚象羔笔等

中最常用的求解器，这种方法考虑了刀一屑之间的摩擦及工件材料流动应力受应变、应变速率和温度的影响。该方法对多数ＦＥＭ问题都具有优势，但对于有些问题，如接触点较少的情况，收敛较慢甚至不收敛，此时，软件会自动识别转为Ｓｐａｒｓｅ法求解。因此，可有效的保证较少的迭代次数和迭代收敛性。

采用四节点四面体对工件进行网格划分，砂轮和工件均采用绝对类型，砂轮网格数５万，转动中心为（０，０，０）；工件网格数为２０万，材料为ＤＩＮ一４１Ｃ１１４（相当我国标准４０Ｃｒ），工件材料预加工部分网格进行局部细化，最小网格单元为０．００９ＩＩＩＲＩ。工件的热传导率（ＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）如表１所示…Ｊ。

生成数据库并完成模拟运算。

表１工件的热传导率

温度／＊ｃ２０

１００

２００３００

４００

５００６００热传导率３５．５３２．６３０．９

２９．３２８

２６．７

２５．５

／（Ｗ ｍ～ ℃一１）

３仿真结果分析

３．１磨削弧区温度分析

在磨削加工的仿真过程中，磨削弧区的温度、热流以及应力状态将会随着磨削的进行发生相应的变化。图３为单个周期内磨削弧区温度场的分布情况以及温度的变化规律。在磨削弧区的方阿上，随着砂轮的旋转，磨粒逐渐切人工件，温度以极大的梯度上升，大约在弧区中心附近达到最大值（峰值达到ｌ

１９０

ｏＣ左

右）；之后随着磨粒的切出ｊ切深逐渐变小，温度缓慢下降。这是由于在磨削过程中采用了干磨的方式，没有磨削液的冷却作用，产生的热量无法迅速耗散，工件表面温度将在短时间内处于较高状态，因此在实际生产过程中，磨削液的正确使用对磨削加工有着至关重要的作用。

图３单个周期蘑削弧区温度

鼍≥象怂三磐

万方数据

三毫习：司飘铷铅与诗ｊ敖木ｌ

３．２磨削弧区热流分析

图４为磨削弧区热流的分布情况。可以发现沿着磨削弧区的热流并不是逐渐增加的，而是随着砂轮的旋转，单颗磨粒从开始接触工件到磨粒切出工件，产生的热流呈现出非线性的先上升后下降的规律。这是由于在磨削加工过程中，随着磨粒的切入，切深逐渐变大，随之产生大量的磨削热，大约在弧区中心位置产生最大热流，且热流分布形状可近似的看成二次曲线分布。

图４磨削弧区热流

３．３磨削弧区最高温度的变化规律

图５为不同砂轮线速度时，砂轮磨削工件时磨削弧区最高温度的变化情况。从图中可以看到，磨削弧区最高温度随着砂轮线速度的提高呈现先上升后下降的趋势，这是因为在速度较低时，磨粒主要以耕犁及滑擦作用进行磨削，此时摩擦加剧，产生热量增多，从而使磨削温度升高；当提高砂轮线速度至１２０ｍ／ｓ后，使得未变形磨屑厚度减小，每颗磨粒切下的磨削层厚度变薄，有利于磨屑的形成排除，部分热量被磨屑带走，因而磨削区最高温度降低。

粒００

１０００

８００

Ｕ

６００

§４００

量

２００

０４０

６０

８０１００１２０１４０

１６０１８０２００２２０

、。｜（ｍ／ｓ）

圈５磨喇区曩高温度变化规律

（下转第３１页）

２７

生习：京飘铘镯哥翰罩靛木Ｉ

Ｔｏｐｉｃｓ：ＶｔｒｔｕａｌＭａ．１ｌＪｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｉ

３数控仿真刀具干涉的判断

数控仿真刀具干涉的判断流程如图４所示。根据计算的毛值，比较二。与Ｚｐ的大小，如果乙＜乞，则更新仿真针端点坐标毛的值，否则不变；如果仿真针端点坐标乙更新完毕后，仿真针起点高于交点即Ｚ＞ｚ。，则判定为发生了过切干涉。

在数控仿真系统中利用此算法，取得了良好的效果。图５为刀具发生干涉的实例。

参考文献

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４结语

本文分析了数控仿真刀具干涉验证的优点及类型，提出了一种基于后置处理前的数据仿真刀具干涉验证的计算方法；通过构建数控加工仿真模型，给出了毛坯仿真针与常用刀具平移扫掠体求交的运算公式，以及根据交点进行仿真干涉判断的方法。该算法简单容易实现，可以检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。（上接第２７页）

２００１．

第一作者：李艳霞，女，１９６４年生，硕士，副教授，主要从事数控技术应用、ＣＡＤ／ＣＡＭ应用技术的研究与教学工作。

（编辑孙德茂）

（收稿１３期：２０１０—０５一０７）

文章编号：１０８０８

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［４］ＤｏｍｅｎｉｃｏＵｍｂｒｅｌｌｏ。Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

ｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＴｉ６Ａ１４Ｖ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｎｄｈｉ【ｓｈ

ａｌｌｏｙ［Ｊ］，ＪｏｕｍａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

４结语

（１）本文基于Ｊ－Ｃ材料本构模型建立了单颗磨粒磨削加工的三维有限元模型，采用更新的拉格朗日法和网格自适应技术成功的模拟了外圆磨削ｇＯＣｒ钢加工过程。

（２）采用有限元软件模拟磨削加工过程，分析磨削弧区最高温度的变化情况，减少研究中试切的实验次数，提高研究效率，降低研究成本，为实现对工艺参数的优化选择提供理论依据。

（３）分析了砂轮磨削工件过程中，磨削弧区温度和热流的变化规律，沿着磨削弧区方向，温度和热流从磨粒切入端到切出端呈现非线性的先增大，大约在接触弧区中心达到最大值，然后缓慢减小。

（４）分析了不同砂轮线速度下，磨削弧区最高温度的变化情况，温度随着砂轮线速度的提高呈现先上升后下降的趋势，高速磨削可以有效地防止工件烧伤。

参考文献

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ｔｏｏｌ

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社，２００３．

第一作者：沈琳燕，女，１９８４年生，硕士生，主要从事磨削机理研究。

（编辑谭弘颖）

（收稿日期：２００９—１２—１４）

文章编号：１０８０７

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枷型鲁笔等

＼～一，，，‘ｕｌｕ｝＿Ｏ

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４１．

３ｌ

万方数据

基于Deform 3D的高速超高速磨削温度的仿真研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

沈琳燕， 李蓓智， 杨建国， 冯瑞金， 周振新， SHEN Linyan， LI Beizhi， YANGJianguo， FENG Ruijin， ZHOU Zhenxin东华大学机械工程学院,上海,201620制造技术与机床

MANUFACTURING TECHNOLOGY & MACHINE TOOL2010(8)

参考文献(11条)

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本文链接：/Periodical_zzjsyjc201008008.aspx

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