陳 杰，李蓓智，楊建國(guó)

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

撓性接頭細(xì)頸微細(xì)磨削仿真研究*

陳 杰，李蓓智，楊建國(guó)

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

慣性導(dǎo)航關(guān)鍵件撓性接頭細(xì)頸尺寸小、剛性差，在微細(xì)加工中極易變形，其精度很難控制。為了更加明確工藝參數(shù)與殘余應(yīng)力間的關(guān)系，充分認(rèn)知細(xì)頸結(jié)構(gòu)特征對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，形成更加符合細(xì)頸結(jié)構(gòu)特征的相互作用機(jī)制的殘余應(yīng)力精確預(yù)測(cè)，以撓性接頭細(xì)筋為研究對(duì)象，基于磨削加工理論、彈塑性力學(xué)和有限元等理論，利用專(zhuān)業(yè)金屬切削軟件Advantedge對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真，構(gòu)建了單側(cè)及雙側(cè)磨削工藝參數(shù)對(duì)撓性接頭細(xì)頸殘余應(yīng)力仿真模型，并分析兩種模型得出的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有條件下以加工質(zhì)量為主要目標(biāo)，提高加工效率為次要目標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)際加工工藝參數(shù)的選擇提供理論指導(dǎo)。

撓性接頭；細(xì)頸；微細(xì)磨削；仿真

0 引言

撓性接頭關(guān)鍵部件是厚度為50μm以下的細(xì)頸，由2個(gè)直徑為1～3mm的微小孔形成，其尺寸精度要求在±1μm內(nèi)，其加工質(zhì)量直接影響整個(gè)慣性陀螺儀的工作性能[1-2]。細(xì)頸因?yàn)閯傂圆顚?dǎo)致極易變形，加工一直面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題是加工完成后短期及在后期使用過(guò)程中，構(gòu)件會(huì)因?yàn)槭艿焦ぜ砻娼M織缺陷以及殘余應(yīng)力的影響而導(dǎo)致產(chǎn)品合格率極低。小孔進(jìn)行精磨，對(duì)細(xì)頸的表面質(zhì)量和使用性能至關(guān)重要。

閻志強(qiáng)，于波等人[3-4]對(duì)撓性接頭制造工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的分析，并探討了研磨必要性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)資料都局限于對(duì)撓性接頭細(xì)頸加工工藝方法研究，很少有磨削工藝參數(shù)對(duì)撓性接頭細(xì)頸加工質(zhì)量，尤其是殘余應(yīng)力的作用機(jī)制研究報(bào)導(dǎo)。已有仿真研究多集中于構(gòu)建薄壁件單側(cè)微細(xì)磨削，對(duì)于兩側(cè)都進(jìn)行微細(xì)磨削過(guò)程缺乏研究和討論，這對(duì)于細(xì)頸雙側(cè)磨削的殘余應(yīng)力的生成與疊加分析具有一定的局限性。

研究克服構(gòu)件變形問(wèn)題，實(shí)際上就是研究減小內(nèi)部應(yīng)力改變其分布狀態(tài)以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。撓性接頭細(xì)頸是典型的薄壁件，其變形受多方面影響，集中體現(xiàn)在細(xì)頸內(nèi)部應(yīng)力的大小和應(yīng)力分布不均勻。細(xì)頸處的應(yīng)力過(guò)大或者分布不合理會(huì)使得細(xì)頸失去應(yīng)有的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生變形[5-6]。為了維持細(xì)頸的平衡狀態(tài)，應(yīng)使得細(xì)頸處的殘余應(yīng)力分布適應(yīng)其結(jié)構(gòu)或減小應(yīng)力。因此，本文基于有限元仿真技術(shù)，構(gòu)建了單側(cè)及考慮細(xì)頸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的雙側(cè)磨削的仿真模型，分析不同工藝參數(shù)對(duì)細(xì)頸殘余應(yīng)力作用規(guī)律，為實(shí)際加工生產(chǎn)撓性接頭提供理論依據(jù)。

2 單顆磨粒微細(xì)磨削仿真模型的構(gòu)建

2.1 細(xì)頸微細(xì)磨削仿真運(yùn)動(dòng)幾何模型

撓性接頭細(xì)頸小孔微細(xì)磨削中，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到120000r/min，磨粒在細(xì)頸小孔上作用的時(shí)間很短，故把細(xì)頸小孔磨削簡(jiǎn)化為平面磨削。采用直徑為φ2.5mm的CBN小砂輪磨削小孔直徑為φ3mm的撓性接頭細(xì)頸。將單顆磨粒統(tǒng)一假設(shè)成理想錐體，磨粒高度20μm，磨粒刃弧半徑5μm，頂錐半角為53°。單顆磨粒最大未變形厚度agmax計(jì)算公式[7-9]如式(1)所示。

(1)

式中，vw為工件線(xiàn)速度；vs為砂輪線(xiàn)速度；Nd為砂輪動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)；θ為磨粒頂錐半角；ap為磨削深度；ds為砂輪直徑；dw為工件直徑。選取Advantedge軟件里的二維正交微切削模塊，如圖1a所示為單顆磨粒磨削高彈性合金鋼3J33的仿真模型；如圖1b所示為磨削結(jié)束后工件自動(dòng)冷卻至室溫，得到殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。

(a) 仿真模型 (b) 工件殘余應(yīng)力 圖1 殘余應(yīng)力仿真模型

2.2 細(xì)頸磨削工藝參數(shù)方案

在磨削中改變砂輪線(xiàn)速度vs和最大未變形厚度agmax；微細(xì)磨削切削深度小，仿真中取磨削深度為1～5μm。考慮到東華大學(xué)自主研制的曲面納米磨床高速電主軸的極限轉(zhuǎn)速為120000r/min，故仿真研究中選取砂輪轉(zhuǎn)速為60000～120000r/min，采用φ2.5mm小砂輪磨削，砂輪線(xiàn)速度范圍為6.28～12.57m/s。

2.3 材料本構(gòu)模型的建立

高彈性合金鋼3J33是撓性接頭的使用材料。砂輪磨粒材料CBN視為剛體，其物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 工件與磨粒材料機(jī)械物理性能參數(shù)表

由于撓性接頭細(xì)頸在磨削時(shí)，其材料會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化、應(yīng)變硬化等。故在模擬微細(xì)磨削時(shí)，使用Johnson-cook模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式及相關(guān)參數(shù)含義為如式(2)所示[10-11]。

(2)

表2 3J33模型參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分

微細(xì)磨削中最小切深可達(dá)1μm，最大未變形厚度agmax至少為切深的1/10，所以最小網(wǎng)格可細(xì)分至0.1μm。刀具的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5μm，最小尺寸設(shè)置為0.1μm；對(duì)細(xì)頸表層40μm深度進(jìn)行細(xì)分網(wǎng)格，網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)置為5μm，最小尺寸為1μm。最終劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 刀具、工件網(wǎng)格劃分

2.5 細(xì)頸雙側(cè)微細(xì)磨削殘余應(yīng)力有限元模型構(gòu)建

撓性接頭關(guān)鍵部位細(xì)頸，其厚度僅為50μm，是典型的薄壁件，如圖3所示。細(xì)頸兩側(cè)分別進(jìn)行微細(xì)磨削，細(xì)頸表面及亞表面的殘余應(yīng)力將重新分布。本文通過(guò)在撓性接頭細(xì)頸兩側(cè)微細(xì)磨削，改變工藝參數(shù)以改善殘余應(yīng)力分布。目前，國(guó)內(nèi)外的研究最多構(gòu)建細(xì)頸單側(cè)微細(xì)磨削，對(duì)于細(xì)頸兩側(cè)都進(jìn)行微細(xì)磨削后殘余應(yīng)力分布缺乏分析和研究。因此，通過(guò)得到的單側(cè)磨削殘余應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，以應(yīng)力文件格式導(dǎo)入至Advantedge中，仿真計(jì)算細(xì)頸另一側(cè)微細(xì)磨削對(duì)殘余應(yīng)力重新生成的影響，為提出和優(yōu)化細(xì)頸雙側(cè)微細(xì)磨削加工殘余應(yīng)力奠定理論基礎(chǔ)，具體流程如圖4所示。

(a)實(shí)物圖 (b) 細(xì)頸圖圖3 撓性接頭細(xì)頸結(jié)構(gòu)

圖4 細(xì)頸雙側(cè)微細(xì)磨削殘余應(yīng)力有限元模型構(gòu)建

3 細(xì)頸微細(xì)磨削殘余應(yīng)力仿真結(jié)果分析

3.1單側(cè)磨削工藝參數(shù)對(duì)撓性接頭細(xì)頸殘余應(yīng)力的影響機(jī)制

殘余應(yīng)力分布見(jiàn)圖5、圖6，微細(xì)磨削作用的殘余應(yīng)力深度為0.034mm，在0.034mm～0.050mm范圍內(nèi)，細(xì)頸的殘余應(yīng)力趨于平衡。細(xì)頸表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力(-150～-400MPa)，說(shuō)明是機(jī)械效應(yīng)起主要作用；亞表層為拉應(yīng)力(100～300MPa)，是熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等共同作用的結(jié)果。

(1)砂輪線(xiàn)速度對(duì)殘余應(yīng)力影響

當(dāng)保持磨削深度3μm不變時(shí)，隨著砂輪線(xiàn)速度提高，會(huì)使細(xì)頸表面殘余壓應(yīng)力的絕對(duì)值減小，亞表面的拉應(yīng)力也減小，導(dǎo)致應(yīng)力極差減小，拉應(yīng)力深度減小。如砂輪線(xiàn)速度從6.28m/s增加到9.42m/s時(shí)，應(yīng)力極差減小了24%；砂輪線(xiàn)速度從6.28m/s增加到12.57m/s時(shí)，應(yīng)力極差減小了52%；應(yīng)力極差減小，這對(duì)控制撓性接頭的變形有利。小孔磨削因砂輪直徑小，導(dǎo)致線(xiàn)速度很低情況下，仍然是較高的砂輪轉(zhuǎn)速有利于控制工作表面溫度和殘余應(yīng)力。如圖5所示。

圖5 砂輪線(xiàn)速度對(duì)殘余應(yīng)力影響

(2)磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力影響

當(dāng)保持砂輪速度9.42m/s不變時(shí)，磨削深度減小，會(huì)使細(xì)頸表面殘余壓應(yīng)力的絕對(duì)值減小，亞表面的拉應(yīng)力也減小，導(dǎo)致應(yīng)力極差減小，拉應(yīng)力深度減小。如磨削深度從5μm減小至3μm時(shí)，應(yīng)力極差減小27%；磨削深度從5μm減小至1μm時(shí)，應(yīng)力極差減小36%。由此可知，殘余應(yīng)力極差的變化程度不及磨削深度的大，提高磨削深度可以提高磨削效率，在選取加工工藝參數(shù)的時(shí)，可在細(xì)頸所允許的變形范圍內(nèi)選擇合理的磨削深度，不僅可提高效率又可達(dá)到細(xì)頸表面質(zhì)量要求。如圖6所示。

圖6 磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力影響

3.2雙側(cè)磨削工藝參數(shù)對(duì)撓性接頭細(xì)頸殘余應(yīng)力的影響機(jī)制

(1)細(xì)頸雙側(cè)相同工藝參數(shù)磨削對(duì)殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)采用和原有對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，即一側(cè)細(xì)頸分別采用vs=6.28m/s，ap=3μm；vs=9.42m/s，ap=3μm和vs=12.57m/s，ap=3μm進(jìn)行磨削，采用相對(duì)應(yīng)參數(shù)磨削對(duì)應(yīng)每一組另一側(cè)細(xì)頸，得到的殘余應(yīng)力分布如圖7所示。通過(guò)所得結(jié)果可知，殘余應(yīng)力的重新分布和原來(lái)磨削單側(cè)后形成的殘余應(yīng)力分布有很大的改變。當(dāng)磨削兩側(cè)細(xì)頸后，距離原有一側(cè)細(xì)頸的表層和亞表層，殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力分布；而距離新磨削一側(cè)細(xì)頸，表層殘余應(yīng)力由原有的趨于平衡狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)分布；亞表層由原有的拉應(yīng)力分布變成了壓應(yīng)力分布；而且壓應(yīng)力分布的深度范圍比單側(cè)磨削的壓應(yīng)力分布更深。

圖7 細(xì)頸兩側(cè)相同工藝參數(shù)磨削對(duì)殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)磨削深度ap=3μm一定時(shí)，在一定砂輪線(xiàn)速度范圍內(nèi)(6.28～12.57m/s)，通過(guò)提高砂輪速度對(duì)細(xì)頸最終表面殘余壓應(yīng)力的減小更加顯著，砂輪線(xiàn)速度從6.28m/s增加到9.42m/s時(shí)，應(yīng)力極差減小了21%；砂輪線(xiàn)速度從6.28m/s增加到12.57m/s時(shí)，應(yīng)力極差減小了28%。

(2)細(xì)頸雙側(cè)不同工藝參數(shù)磨削對(duì)殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)?shù)谝粋?cè)細(xì)頸采用vs=9.42m/s，ap=3μm工藝參數(shù)進(jìn)行磨削，磨削另一側(cè)細(xì)頸分別采用vs=6.28m/s，ap=3μm以及vs=12.57m/s，ap=3μm時(shí)，并和采用和原有相同工藝參數(shù)vs=9.42m/s，ap=3μm的結(jié)果做對(duì)比，得到的殘余應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 細(xì)頸兩側(cè)不同工藝參數(shù)磨削對(duì)殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)?shù)诙?cè)磨削工藝參數(shù)采用高轉(zhuǎn)速時(shí)，分布于細(xì)頸的殘余應(yīng)力極差減小。砂輪線(xiàn)速度從6.28m/s增加到9.42m/s時(shí)，應(yīng)力極差減小了22%；砂輪線(xiàn)速度從6.28m/s增加到12.57m/s時(shí)，應(yīng)力極差減小了40%。應(yīng)力極差減小，對(duì)控制細(xì)頸變形有利。

3.3 細(xì)頸微細(xì)磨削仿真結(jié)果分析

在僅磨削一側(cè)細(xì)頸下，如圖5所示細(xì)頸表面和次表面為殘余壓應(yīng)力分布，遠(yuǎn)次表面為殘余拉應(yīng)力分布，殘余應(yīng)力影響深度為0.034mm。當(dāng)磨削兩側(cè)細(xì)頸后，如圖6所示，距離原有一側(cè)細(xì)頸的0.025mm深度范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力分布；而距離新磨削一側(cè)細(xì)頸的0.025mm深度范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。磨削第二側(cè)細(xì)頸時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，可以使得整個(gè)細(xì)頸的殘余應(yīng)力極差更小，應(yīng)力分布更趨于平衡穩(wěn)定，對(duì)控制變形有利。

4 結(jié)論

基于Advantedge建立的微細(xì)磨削殘余應(yīng)力仿真模型，探索了不同工藝參數(shù)單側(cè)與雙側(cè)磨削對(duì)細(xì)頸殘余應(yīng)力影響，可以依據(jù)零件質(zhì)量要求、加工效率目標(biāo)以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行微磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)于首先磨削的一側(cè)細(xì)頸，優(yōu)先選用中、高速的砂輪線(xiàn)速度。考慮到東華大學(xué)自主研發(fā)的主軸最高轉(zhuǎn)速為120000 r/min 的條件下，單側(cè)磨削選擇90000r/min，即砂輪線(xiàn)速度vs=9.42m/s，切深ap=3μm時(shí)磨削效率高，表面質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與效率的完美統(tǒng)一。

(2)撓性接頭細(xì)頸厚度只有50μm，難以抵抗應(yīng)力的綜合作用而極易變形，則可以采用適當(dāng)?shù)哪ハ鞴に噮?shù)。在第二側(cè)細(xì)頸磨削，優(yōu)先選中、高速的砂輪線(xiàn)速度。如右側(cè)細(xì)頸磨削采用vs=12.57m/s(ns=120000r/min)，ap=3μm的工藝參數(shù)，使存在細(xì)頸內(nèi)部的應(yīng)力大小、分布狀態(tài)發(fā)生改變，達(dá)到調(diào)整應(yīng)力的作用，使其適應(yīng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到不產(chǎn)生變形或不超過(guò)希望變形量的目的。

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SimulationAnalysisforMicro-grindingFlexibleJointThinNeck

CHEN Jie, LI Bei-zhi, YANG Jian-guo

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The thin neck of inertial navigation key pieces flexible joints is size small and weak stiffness, the thin neck is easy to distort in the micro-grinding process, it quite difficult to control the accuracy. In order to know the relationship between process parameters and residual stress more clearly, cognitive well the structure of thin neck characteristics influence on residual stress distribution, and an accurate prediction of the residual stress of the interaction mechanism which is in line with the characteristics of the thin neck structure is obtained. Based on the theory of elastic-plastic mechanics, the residual stress distribution about the thin neck of flexible joint is obtained by using the professional cutting software Advantedge. Simulation model of residual stress about the unilateral and bilateral grinding process parameters on the thin neck of flexible joint are built up, and the residual stress distribution rule of two kinds of model are analyzed. Under the existing conditions, the first and more important is controlling the processing quality. Another one is improving the processing efficiency. All the results provide relevant theoretical basis for parameters selection in the real production.

flexible joints; thin neck; micro-grinding; simulation

1001-2265(2017)11-0116-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.030

2016-12-19

上海市軍民融合專(zhuān)項(xiàng)(滬經(jīng)信軍[2016]381號(hào))

陳杰(1989—)，男，江西宜春人，東華大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，(E-mail)jiechen1989@163.com；通訊作者：李蓓智(1954—)，女，上海人，東華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代集成制造技術(shù)與系統(tǒng)，先進(jìn)制造加工、科學(xué)與技術(shù)。

TH162;TG58

A

(編輯李秀敏)