基于Deform+3D的高速超高速磨削温度的仿真研究(2)

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）

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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。

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