□ 范君艷 □ 田西榮 □ 任家隆

1.上海師范大學(xué)天華學(xué)院 上海 201815

2.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 試驗背景

隨著材料潔凈化、微合金和控軋控冷等先進(jìn)冶金技術(shù)的推廣和應(yīng)用，抗拉強(qiáng)度σb＞1 500 MPa、屈服極限σs＞1 300 MPa的超高強(qiáng)度鋼，因抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、工藝性能良好、成本較低而得到了廣泛應(yīng)用，特別是在航空航天、軍事等具有特殊要求的領(lǐng)域，應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大，具有良好的發(fā)展前景。

防彈鋼PRO500作為低合金超高強(qiáng)度鋼，合金成分精心設(shè)計，原材料精制，具有可焊接、可冷彎、自控噴霧淬火等優(yōu)良特點，在軍事裝備中得到了廣泛應(yīng)用，如制造防彈門、防彈頭盔、防彈衣、防暴車、防彈運鈔車、裝甲運輸車等。防彈鋼PRO500加工時，難以采用普通的機(jī)械切削加工，往往要采用磨削加工。

防彈鋼PRO500作為超高強(qiáng)度鋼，在具有優(yōu)良機(jī)械性能的同時，也給磨削加工帶來了一定的困難。

（1）磨削力大。超高的抗拉強(qiáng)度和高硬度，導(dǎo)致在磨削時滑擦、耕犁和變形抗力大，因而磨削力很大，在相同的條件下單位寬度磨削力是磨削45號鋼的1.5倍左右。

（2）磨削溫度高，易燒傷。由于超高強(qiáng)度鋼的磨削力比普通鋼大很多，致使磨削區(qū)溫度很高，而超高強(qiáng)度鋼中的微合金元素鎳、鉬、硅使鋼的導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，約為45號鋼的一半，在磨削區(qū)產(chǎn)生的大量磨削熱不易發(fā)散，聚集在磨削區(qū)，可使工件表面產(chǎn)生極高的瞬時溫度，進(jìn)而導(dǎo)致磨削燒傷。

（3）磨削表面加工硬化。對于超高強(qiáng)度鋼而言，塑性大，韌性高，強(qiáng)度也高，磨削時磨削層變形劇烈，晶格畸變嚴(yán)重，應(yīng)力應(yīng)變增大，引起加工硬化。

因此，必須對防彈鋼PRO500磨削區(qū)的冷卻方式及磨削參數(shù)的選擇進(jìn)行研究，以降低磨削溫度，提高工件表面質(zhì)量[1-2]。

試驗采用防彈鋼PRO500作為試件材料，應(yīng)用ANSYS軟件對試件進(jìn)行有限元仿真分析，獲得在水蒸氣冷卻方式下不同磨削參數(shù)時磨削溫度場的分布。同時采用頂式熱電偶法測量在不同冷卻條件下不同磨削參數(shù)所對應(yīng)的磨削溫度，取水蒸氣冷卻條件下的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，確認(rèn)仿真結(jié)果能否比較真實地反映實際磨削加工時的溫度場情況[3]。

2 磨削參數(shù)與邊界條件

難加工材料防彈鋼PRO500的磨削參數(shù)見表1，邊界條件見表2，砂輪材料為氧化鋁（WA46LY35），結(jié)合劑為陶瓷。

表1 磨削參數(shù)

表2 邊界條件

3 磨削溫度場有限元仿真

ANSYS軟件在熱分析方面具有強(qiáng)大功能，其后處理模塊能將計算結(jié)果以彩色等值線等方式呈現(xiàn)。筆者的仿真和研究均以ANSYS軟件為工具進(jìn)行。

3.1 建模

設(shè)置工件模型尺寸為20 mm×10 mm×5 mm，因分析時需要施加不同的熱載荷在同一表面，故將熱流密度施加于實體表面，熱對流邊界則施加并覆蓋于實體表面上的熱表面效應(yīng)單元。熱分析試驗采用三維熱表面效應(yīng)單元SURF152[4]。

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)求解的正確性、精度和計算速度，有限元模型作為原結(jié)構(gòu)的離散化模型采用四面體單元劃分網(wǎng)格。單元之間用節(jié)點連接，相鄰單元用接觸面上的節(jié)點無間隙連接為一個整體，具體模型如圖1所示[5-6]。

▲圖1 有限元模型

3.3 邊界條件及移動熱源處理

有限元求解中，需附加一定的初始條件和邊界條件，才能使每個節(jié)點得到熱平衡方程的唯一解。磨削過程中，忽略空氣的對流傳熱，只考慮水蒸氣對磨削溫度場的對流傳熱，設(shè)被磨削工件的初始溫度為20℃。建立既能用于數(shù)學(xué)計算又能模擬磨削實況的模型，分析磨削區(qū)的溫度分布情況，并討論相關(guān)磨削參數(shù)對磨削溫度場分布的影響[7]。

磨削時由于磨削深度較淺，接觸弧長也較短，因此將磨削熱問題視為帶狀熱源在半無限體表面上的移動，筆者采用矩形移動熱源來模擬磨削溫度場[8]。

ANSYS軟件加載移動熱源時需使過程離散化，在極短時間內(nèi)在某一磨削區(qū)加載固定熱源，下一時間段使之迅速移動到另一區(qū)域，并將上一次所得結(jié)果作為下一次的初始條件。

4 仿真結(jié)果與分析

在防彈鋼PRO500仿真平面磨削過程中采用水蒸氣冷卻方式，并以此對模型添加密度、比熱容、熱傳導(dǎo)率等有關(guān)參數(shù)。經(jīng)計算得到磨削溫度場產(chǎn)生的變化，圖2所示為磨削過程中第15載荷步顯示的溫度分布，該載荷步最高溫度為291.548℃。

▲圖2 第15載荷步溫度場分布

磨削深度為0.01 mm，砂輪線速度為26.38 m/s，進(jìn)給速度分別為 1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min時磨削溫度的變化情況如圖3所示。在其它條件不變的情況下，進(jìn)給速度加快，意味著磨削效率提高，投入到磨削的面積增大，單位磨粒承受的工作量增加，砂輪磨損增大，耗功增大，因而工件的磨削溫度升高。與此同時，進(jìn)給速度加快，使單位時間被磨削的面積增大，其磨削力并沒有突然增大，而只是承受力的頻次提高。此外，進(jìn)給速度加快，工件散熱加快，工件某一表面被磨削的時間縮短，因此，總體上工件的磨削溫度以上升為主，散熱條件的改善和磨削強(qiáng)度的穩(wěn)定也決定了隨著進(jìn)給速度的加快，磨削溫度上升，但上升幅度不會和進(jìn)給速度變化成比例。

砂輪線速度為26.38 m/s，工件進(jìn)給速度為1 m/min，磨削深度分別為 0.01 mm、0.015 mm、0.02 mm、0.025 mm、0.03 mm時磨削溫度的變化情況如圖4所示。磨削深度增大，工件磨削溫度上升較高，這是因為其它條件不變時，磨削深度增大，單位磨粒去除材料的負(fù)擔(dān)瞬時增大，能量消耗增大。磨削耗能增大由磨削滑擦、刻劃獨立承擔(dān)，能量基本都轉(zhuǎn)換成摩擦熱，因而隨著磨削深度增大，磨削溫度基本成比例上升[9-10]。

5 磨削試驗驗證

為進(jìn)一步驗證有限元仿真結(jié)果的可靠性，在M7132H平面磨床上對難加工材料防彈鋼PRO500進(jìn)行了平面磨削試驗。試驗中采用具有夾式安裝結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量磨削區(qū)表面溫度，采用水蒸氣、低溫氣動噴霧及常規(guī)乳化液三種冷卻方式，基本參數(shù)如下：砂輪線速度為26.38 m/s，工件進(jìn)給速度為1 m/min，磨削深度分別為 0.01 mm、0.15 mm、0.02 mm、0.025 mm、0.03 mm，水蒸氣噴嘴出口溫度為90℃，壓力為0.3 MPa，空氣霧化噴嘴直徑為3 mm，低溫氣動噴霧用自來水與冷風(fēng)在噴嘴口混合形成霧狀射流物對試件磨削表面進(jìn)行射流冷卻，冷風(fēng)噴嘴出口溫度為-15℃，壓力為0.3 MPa，自來水流量為60 mL/min，常規(guī)乳化液溫度為20℃，體積分?jǐn)?shù)為5%，流量為3.6 L/min。試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，磨削深度從0.01 mm增大到0.02 mm，工件的磨削溫度增幅較小，0.02 mm之后工件磨削溫度增幅較大。從總體的冷卻效果比較，隨著磨削深度的增大，采用水蒸氣冷卻具有一定的優(yōu)勢，低溫氣動噴霧冷卻次之，常規(guī)乳化液冷卻最差。水蒸氣冷卻時磨削溫度始終在500℃以下，可以有效避免磨削燒傷。

▲圖3 不同工件進(jìn)給速度時磨削溫度變化情況

▲圖4 不同磨削深度時磨削溫度變化情況

6 有限元仿真與試驗結(jié)果對比

取水蒸氣冷卻方式下防彈鋼PRO500磨削溫度的有限元仿真效果與試驗結(jié)果作比較。

6.1 工件進(jìn)給速度的影響

基礎(chǔ)工況如下：水蒸氣冷卻，砂輪線速度為26.38 m/s，磨削深度為 0.01 mm，工件進(jìn)給速度分別為1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min。

如圖6所示，在不同進(jìn)給速度下，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)結(jié)果相差很小，在進(jìn)給速度為1 m/min處相差僅9℃，在進(jìn)給速度為3 m/min處最大誤差為6.2%，均在允許的誤差范圍內(nèi)。

6.2 磨削深度的影響

基礎(chǔ)工況如下：水蒸氣冷卻，砂輪線速度為26.38 m/s，工件進(jìn)給速度為1 m/min，磨削深度分別為0.01 mm、0.015 mm、0.02 mm、0.025 mm、0.03 mm。

如圖7所示，在不同磨削深度下，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)相差不大，仿真數(shù)據(jù)略高于試驗數(shù)據(jù)，最大誤差小于10%，在允許的誤差范圍內(nèi)[11-12]。

7 結(jié)論

筆者選用難加工材料防彈鋼PRO500，在水蒸氣冷卻、不同磨削參數(shù)條件下進(jìn)行磨削溫度有限元仿真與試驗對比，結(jié)論如下：

▲圖5 不同冷卻條件和磨削深度時磨削溫度變化情況

▲圖6 工件進(jìn)給速度對磨削溫度影響曲線

▲圖7 磨削深度對磨削溫度影響曲線

（1）單一改變磨削深度或工件進(jìn)給速度，水蒸氣冷卻和低溫氣動噴霧冷卻效果比常規(guī)乳化液冷卻效果好，且水蒸氣冷卻相比低溫氣動噴霧冷卻效果更優(yōu)；

（2）由仿真和試驗結(jié)果可知，在對超高強(qiáng)度的難加工材料進(jìn)行磨削加工時，選擇合適有效的冷卻方式，可以有效降低磨削區(qū)溫度，避免燒傷；

（3）采用水蒸氣冷卻，合理選擇磨削參數(shù)，選擇較快的工件進(jìn)給速度、較小的磨削深度，可以有效控制磨削區(qū)溫度，避免燒傷，提高加工表面質(zhì)量。

筆者通過試驗證明有限元仿真分析可以為合理選擇磨削過程中的冷卻方式、磨削參數(shù)，以及避免工件磨削燒傷提供技術(shù)支持。