孫 杰 曲中興 張立武

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基于ABAQUS的TC11單顆粒砂帶磨削過程仿真

孫 杰 曲中興 張立武

（西安航天動力機械廠，西安 710025）

利用有限元分析軟件ABAQUS，針對TC11鈦合金開展單顆粒砂帶磨削過程仿真，分析不同磨料、磨削深度、磨削速度下的材料去除過程及磨削力的變化規(guī)律，進而得出磨削用量對材料去除效率及質(zhì)量的作用機理，為TC11的砂帶磨削參數(shù)提供選取依據(jù)。

ABAQUS；砂帶磨削；TC11；磨削力

1 引言

TC11是一種α+β型兩相熱強鈦合金，不僅具有密度小、比強度高、耐腐蝕性強的優(yōu)點，且熱導率低、熱膨脹系數(shù)低，在室溫及高溫下具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和熱強性[1]，是航空航天發(fā)動機金屬件的理想材料，廣泛應用于航空發(fā)動機葉盤葉片、固體火箭發(fā)動機噴管殼體等關鍵結(jié)構(gòu)件。目前，固體火箭發(fā)動機中TC11金屬件精加工工藝多采用車削、銑削，仍存在加工效率低、表面粗糙度差、精度不易保證等問題，近年來，砂帶磨削以其磨削力小、磨削溫度低及磨削效率高等優(yōu)點，成為一種理想的鈦合金加工方法[2]。

目前，TC11材料砂帶磨削過程中磨削參數(shù)對磨削力和磨削溫度的影響機理尚未明確，且后者直接決定了零件的加工精度和加工效率，因此，開展仿真研究是探索TC11材料砂帶磨削機理的有效途徑。然而，磨粒在砂帶基材上的植砂方式主要采用靜電植砂技術(shù)，磨粒數(shù)量多，形狀不規(guī)則，分布無規(guī)律且具有隨機性，因此針對整體砂帶進行建模難度較大，且仿真精度較差，故TC11的砂帶磨削機理更適合通過單顆粒磨削仿真進行研究。

2 TC11單顆粒磨削仿真模型

2.1 TC11材料參數(shù)

鈦合金TC11可見組織為等軸晶組織[3]，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 TC11材料性能參數(shù)

2.2 Johnson-cook材料本構(gòu)模型

目前，Macgregor、Marusich、Zerilli-Armstrong等描述切削變形區(qū)內(nèi)材料變形的本構(gòu)方程用于描述金屬材料的切削變形特性及成屑過程[4]。本文中采用廣義虎克定律描述TC11彈性變形階段，采用Johnson-cook模型描述其塑性變形階段。Johnson-cook模型是一種將材料應變硬化效應、應變率硬化效應及溫度軟化效應統(tǒng)一關聯(lián)的本構(gòu)模型，可準確描述大應變率下金屬材料的應力應變關系[5]。

式中，為Mises流動應力；分別為初始屈服應力、材料應變強化參數(shù)、材料應變率強化參數(shù)、硬化指數(shù)及材料熱軟化指數(shù)；TT分別為材料的熔點溫度和室溫。其中，均需通過實驗確定，根據(jù)Chen Ming等開展的分離式霍普金森壓桿（SHPB）實驗研究[6]，確定了TC11材料的Johnson-cook本構(gòu)模型參數(shù)，如表2所示。

表2 TC11材料J-C本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 幾何模型建立

砂帶磨削是一個磨粒相對工件進行三維運動的過程，由于仿真中磨料與工件發(fā)生接觸的時間極短，其進給量可忽略不計，因此建立了二維單顆粒切削模型，將三維問題轉(zhuǎn)化為平面應變問題。工件幾何尺寸為1mm×0.6mm，磨粒前角為-20°。為了有效減少非接觸區(qū)的計算量，采用一階線性減縮積分單元CPS4R劃分網(wǎng)格，如圖1所示。工件采用固定約束，磨粒自右向左勻速移動，移動速度即為實際磨削速度，磨粒與工件采用face to face顯式接觸定義接觸對，切向和法向的接觸形式分別采用罰函數(shù)接觸和硬接觸。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

為了防止由于磨粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)、磨損或斷裂而導致仿真結(jié)果出現(xiàn)偏差，且磨粒的彈性模量和硬度遠高于工件，因此在計算前作兩點基本假設：在選取不同磨削深度與磨削速度時，假設磨粒為剛體，在切削過程中不發(fā)生變形；在極短的切削時間內(nèi)，磨料不發(fā)生磨損或斷裂。

2.4 仿真方案設計

為了使仿真結(jié)果更具有代表性，根據(jù)鈦合金TC11的高硬度、低熱導率等特點及國內(nèi)外各類磨料的研發(fā)應用現(xiàn)狀，選取氧化鋁、鋯剛玉、立方氮化硼三種磨料開展仿真，各磨料性能參數(shù)見表3；根據(jù)劉瑞杰等人對鈦合金TC4的砂帶磨削研究表明，通常磨粒磨損高度為0.1～0.3mm[7]，由此選取磨削深度分別為0.1mm、0.2mmm、0.3mm；此外，根據(jù)常用砂帶磨床及磨頭的技術(shù)規(guī)格，選取8～16m/s的砂帶轉(zhuǎn)速范圍。由此設計仿真方案，因素水平表如表4所示。

表3 各磨料性能參數(shù)

表4 仿真因素水平表

各組工藝參數(shù)取值如表5所示。

表5 仿真工藝參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 成屑機理分析

砂帶磨削材料去除過程與砂輪磨削大致相同，按照磨粒與工件表面接觸時干涉程度的不同，可以分為滑擦、耕犁和切削三個不同階段[8]。由于仿真幾何建模中，磨粒已切入預計的深度，因此單顆粒仿真描述了磨削過程中耕犁與切削階段，如圖2所示，從等效塑性應變云圖可以看出：磨粒在切入工件時，首先對磨粒前方與下方的金屬產(chǎn)生擠壓作用，接觸區(qū)域材料應變顯著并發(fā)生塑性變形；隨著磨粒向前移動，塑性變形區(qū)材料向前流動，導致磨粒前方表面出現(xiàn)隆起，且磨粒在工件表面耕犁出一道刻線，同時，被磨粒擠壓的區(qū)域會出現(xiàn)明顯的滑移；隨著切削的進行，材料在磨粒前方不斷堆積，最終在磨粒前刀面的切削作用下發(fā)生斷裂，進而形成切屑。

3.2 磨料對磨削力的影響

圖3a、圖3b、圖3c分別反映了采用氧化鋁、鋯剛玉及立方氮化硼三種磨料時砂帶磨削過程的磨削力，其中，磨削速度為12m/s，磨削深度為0.15mm。

從圖中可看出，在相同磨削參數(shù)、三種不同磨料下的磨削力由大到小依次為立方氮化硼、鋯剛玉、氧化鋁，與理論分析結(jié)果吻合。磨料對磨削力和材料去除率的影響與磨粒的磨損程度密切相關，由砂帶磨損前后磨粒的顯微形貌特征可看出，磨粒的磨損形式主要有磨平磨鈍、磨粒脫落、磨粒破碎等[8]，由于不同材料、粒度、植砂方式下磨料的性能不同，因此發(fā)生磨損的類型和程度也不同。上述三種磨料中，立方氮化硼質(zhì)地最硬，在磨削如鈦合金的高硬度材料時不易發(fā)生斷裂，且具有更高的材料去除效率，因此可作為加工TC11的理想磨料；鋯剛玉硬度低于立方氮化硼，但材料自銳性好，即磨粒發(fā)生斷裂后產(chǎn)生會露出新的微晶組織，仍能保持磨粒的鋒銳，因此也具有較強的材料去除能力，使用壽命較長；氧化鋁磨料自銳性較差[9]，磨粒發(fā)生磨損后易出現(xiàn)磨平現(xiàn)象，且磨粒與鈦合金極易親和生成新物質(zhì)粘附于磨粒上[10]，導致局部磨削力減小，材料去除效率降低，且磨削溫度上升，使得工件表面更易發(fā)生燒傷。

a 氧化鋁磨料

b 鋯剛玉磨料

c 立方氮化硼磨料

3.3 磨削深度對磨削力的影響

圖4為采用鋯剛玉磨料、磨削速度為12m/s、磨削深度分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm時砂帶磨削過程應力云圖，可看出隨著磨削深度的增大，磨粒切削工件時材料的塑性流動和隆起現(xiàn)象越來越明顯，從應力的分布狀態(tài)可看出，磨粒與工件接觸區(qū)域的最大等效應力值隨磨削深度增加而增大，且最大應力區(qū)域顯著增加，并進一步影響磨削后工件表面的殘余應力分布。結(jié)合圖5所示的磨削力隨磨削深度變化曲線，可看出磨削深度是影響砂帶磨削過程中磨削力的關鍵因素，且法向磨削力與切向磨削力的比值變化較小。

a 磨削深度0.1mm

b 磨削深度0.2mm

c 磨削深度0.3mm

由以上分析可看出，磨削深度對工件磨削區(qū)域應力分布及磨削力具有重要影響，是關系到工件加工效率及表面質(zhì)量的重要因素，且磨削深度過大容易導致磨粒磨損加劇，大大縮短砂帶的使用壽命，進而增加材料成本。因此，在實際生產(chǎn)過程中，應根據(jù)加工效率、表面質(zhì)量及磨料成本等不同的側(cè)重點，選取適當?shù)哪ハ魃疃取?/p>

3.4 磨削速度對磨削力的影響

磨削速度即砂帶轉(zhuǎn)速，可通過改變電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，是砂帶磨削中的重要參數(shù)之一。根據(jù)常用砂帶磨床及磨頭的技術(shù)規(guī)格，分別選取砂帶速度為8～16m/s，仿真結(jié)果如圖6所示，法向磨削力和切向磨削力隨磨削速度變化較小，且磨削力比穩(wěn)定在2.5左右。因此，在不考慮磨粒磨損的前提下，砂帶磨削速度對磨削力影響較小。

4 結(jié)束語

本文采用有限元軟件ABAQUS，針對TC11材料的單顆粒砂帶磨削過程開展仿真研究，得出以下結(jié)論：

a. 磨削過程中，材料發(fā)生顯著的塑性變形，并隨磨粒的擠壓作用不斷堆積，最終在磨粒前刀面的切削作用下發(fā)生斷裂；

b. 仿真結(jié)果表明，立方氮化硼砂帶具有較高的材料去除率，鋯剛玉砂帶次之，氧化鋁砂帶的材料去除效果較差；

c. 磨削深度對磨削區(qū)域應力分布影響巨大，且磨削力隨磨削深度的增加而顯著增大，適當增大磨削深度，可有效提高材料去除效率；

d. 磨削速度在短時間內(nèi)對單顆粒的磨削力和應力分布影響不大。

以上結(jié)論闡明了單顆粒磨削下TC11材料的成屑機理，以及磨削參數(shù)對磨削成形過程的影響規(guī)律，對于開展磨削試驗及實際加工中的參數(shù)選取具有指導作用。由于仿真中對磨粒作出了不發(fā)生磨損斷裂的基本假設，因此，后續(xù)可開展TC11鈦合金的砂帶磨削試驗，結(jié)合砂帶實際磨損情況以及工件成形質(zhì)量，進一步完善磨削參數(shù)的作用規(guī)律。

1 曾衛(wèi)東，周義剛. 冷速對TC11合金β加工顯微組織和力學性能的影響[J]. 金屬學報，2002，38(12)：1273～1276

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6 Chen Ming, Niu Qiulin, An Qinglong, et al. Johnson-cook constitutive equation for titanium alloy TC11[J]. Key Engineering Materials, 2014 (589-590): 140～146

7 劉瑞杰，黃云，黃智等. 基于鈦合金砂帶磨削的磨削率、表面質(zhì)量及砂帶壽命性能試驗研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2010(1)：18～21

8 王維朗. 砂帶磨削金屬材料的工藝及機理研究[D]. 重慶：重慶大學，2006

9 路勇，黃云. 砂帶磨削磨損性能試驗研究[J]. 機械科學與技術(shù)，2014，33(12)：1865～1868

10 肖貴堅，黃云，黃智等. 基于單因素實驗的鈦合金砂帶磨削砂帶壽命研究及分析[J]. 機械設計與制造，2010(8)：175～177

Simulation of Single Abrasive Grain Belt Grinding of TC11 Based on ABAQUS

Sun Jie Qu Zhongxing Zhang Liwu

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025)

The finite element analysis software ABAQUS is used to simulate the process of single grain abrasive belt grinding for TC11 titanium alloy. The law of removal of material and grinding force under different abrasive, grinding depth and grinding speed is analyzed, and the effect of the grinding amount on the removal efficiency and quality of the material is obtained. The basis of selection of belt grinding parameters for TC11 is provided.

ABAQUS；abrasive belt grinding；TC11；grinding force

孫杰（1993），碩士，金屬材料成形專業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動機金屬成型工藝。

2017-11-13