基于DEFORM-3D的固体润滑涂层对磨削温度场的影响仿真研究

王晓伟，蔡兰蓉，霍文国

(天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222)

基于DEFORM-3D的固体润滑涂层对磨削温度场的影响仿真研究

王晓伟，蔡兰蓉，霍文国

(天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222)

针对磨削过程中产生的大量磨削热容易导致磨削灼伤的问题，进行了固体润滑涂层对磨削温度场影响的仿真研究。基于DEFORM-3D有限元仿真软件，模拟了电镀CBN砂轮高速磨削TC4钛合金的过程，比较了电镀CBN砂轮在有无固体润滑软涂层的条件下高速磨削TC4钛合金时温度场的变化规律。研究结果表明，固体润滑涂层应用于高速磨削中，可有效降低磨削温度，避免磨削灼伤。

DEFORM-3D；磨削；有限元仿真；固体润滑涂层；温度场

磨削在超硬材料的加工中占有非常重要的地位，尤其是在加工钛合金时，更是一种必不可少的加工方式。由于在磨削钛合金时会产生大量的磨削热，因而传统的磨削加工中会使用大量的磨削液来降低工件的磨削温度并起到润滑作用，但是磨削液的大量使用不仅增加了加工成本，而且会对操作工人的健康和环境带来很大的危害。使用固体润滑软涂层来代替磨削液的绿色加工方式，既减少了磨削液对环境的污染及对操作工人健康的危害，又降低了加工成本[1-5]。

在实际加工过程中，测量工件的磨削温度是比较繁琐的，仅仅通过实验数据对磨削机理进行深入透彻的研究也是困难的。通过有限元分析软件对磨削过程进行仿真分析，优化选择工艺参数，是一种既方便迅速又经济实用的方法[6]。

1 有限元的理论基础

1.1J-C材料本构模型的建立

工件材料选用TC4钛合金，并选择Johnson-Cook(J-C)材料本构模型描述工件材料。J-C材料模型是一种刚塑性强化模型，利用变量乘积关系分别描述温度、应变和应变率的变化。具体的表述式如下：

(1)

1.2自适应网格重新划分

砂轮磨削的过程实际上可以看作是无数个单颗粒锥形刀具的切削过程，首先工件产生塑性变形，然后切屑与工件分离。随着磨粒的切入，工件材料产生塑性变形，工件材料网格开始产生畸变，网格的畸变会导致计算不收敛或计算结果精度的下降。为了避免网格的严重畸变，在仿真求解过程中采用自适应网格重划分技术，当工件材料网格产生畸变就进行网格自适应重新划分，实现切屑与工件的分离。

2 单颗粒磨削有限元仿真模型的建立

2.1几何模型转化为有限元网格模型

通过SolidWorks创建工件与磨粒的三维模型，工件尺寸为2mm×1mm×0.6mm,锥形磨粒高度为60μm,半顶锥角为65°，如图1所示。把建好的仿真模型另存为.STL文件，导入DEFORM-3D前处理中，并开始自适应网格划分。单颗粒磨削与普通平面磨削不同的是：单颗粒磨削没有砂轮和工件的相对横向或纵向进给运动，单颗粒磨削仿真模型尺寸较小，单颗粒与工件表面的接触时间非常短，所以模型简化为只有磨粒的单向运动。如图1所示，Y向是单颗粒运动方向，根据单颗粒与工件的相对位置，Y向相当于单颗粒的切向方向，X向相当于单颗粒的法向方向，Z向相当于砂轮的轴向方向。

2.2工件与磨粒材料的基本物理属性

TC4钛合金与CBN的基本物理属性见表1。

2.3单颗磨粒切削仿真参数的设定

有限元仿真模型的建立即仿真对象的几何形状、材料属性以及仿真对象内部与周围环境之间相互作用的有机结合。本文中仿真对象的几何形状即简化的锥形砂轮磨粒；研究对象内部与周围环境之间的相互作用，即工件与磨粒之间以及工件、磨粒与周围环境之间的热量传递，磨粒与工件间的相互摩擦等。其中，热量的转化与传递通过在DEFORM-3D中设定一定的转化系数与热传递系数来实现。模拟过程中，根据工件与磨粒的基本物理属性(表1)以及单颗粒有限元仿真加工工艺参数(图2)，在DEFORM-3D中设置：热传递系数为11N/(s·mm·℃)，对流换热系数为0.02N/(s·mm·℃),磨粒和工件的初始温度为室温20℃。石墨具有较好的润滑性能和导热性能，设置石墨为砂轮固体润滑涂层材料。如图3所示，根据石墨的基本物理属性，在DEFORM-3D中设置砂轮固体润滑涂层的参数：厚度为0.05mm，比热为710J/(kg·K),热导率为129W/(m·K)，热辐射率为0.8。通过设置涂层参数，用单因素磨削方式，研究固体润滑涂层的改变对单颗粒切削过程的影响。

图2 单颗粒有限元仿真加工工艺参数

3 仿真结果及分析

磨削过程的点热源相当于切削仿真过程中的单颗粒，点热源在工件磨削区域的运动和传递形成了工件磨削温度场。有无涂层的单颗粒磨削区域温度变化图如图4、图5所示，从图中可以看出,有涂层砂轮的磨削温度明显低于无涂层砂轮的磨削温度。在磨削弧区的方向上，随着砂轮的旋转，磨粒逐渐切入工件，温度快速上升，有涂层砂轮的磨削温度峰值达到960℃左右，而无涂层砂轮的磨削温度峰值可达1 230℃左右。之后随着磨粒的切出，切深逐渐减小，磨削区磨削温度下降。图4中点跟踪温度曲线图显示，无涂层砂轮温度下降缓慢，这是因为没有磨削液的冷却作用，磨削产生的磨削热无法及时扩散，工件温度将暂时保持较高状态。而图5中点跟踪温度曲线图显示，有涂层砂轮随着磨粒的切出，切深减小，温度迅速下降，其速度的下降要比无涂层砂轮迅速得多。

4 结束语

本文通过DEFORM-3D有限元仿真软件模拟

图4 无涂层温度变化图 图5 有涂层温度变化图

砂轮磨削钛合金的过程，研究工件温度场的变化情况。仿真结果表明，在磨削钛合金过程中，有固体润滑软涂层砂轮磨削温度要比无涂层砂轮磨削温度低很多。固体润滑软涂层可以代替磨削液的使用，有效降低摩擦因数,从而减少磨削区磨削热的产生，解决了干磨削过程中磨削灼伤的问题，同时也避免了因使用磨削液而带来的各种弊端。

[1] 陆名彰，熊万里，黄红斌，等.超高速磨削技术的发展及其主要相关技术[J].湖南大学学报：自然科学版，2002,29(5)：44-48.

[2] 霍文国，徐九华，傅玉灿，等.页轮干式磨削Ti6Al4V合金[J].南京航空航天大学学报:英文版，2010,27(2)：131-137.

[3] 霍文国.钛合金干式磨抛加工技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[4] 李伯民，赵波.现代磨削技术[M].北京：机械工业出版社，2003：39-41.

[5] 张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6] 郑文君，夏伟，周照耀.有限元法在切削加工过程分析中的应用[J].工具技术，2004，38(11)：20-22.

The simulation of solid lubricating coating on the grinding temperature field based on DEFORM-3D

WANG Xiaowei, CAI Lanrong, HUO Wenguo

(School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China)

A lot of grinding heat generated in the grinding process leads to easily the grinding burns. It simulates the grinding temperature field for the solid lubricant coating. Based on DEFORM-3D finite element simulation software, it realizes the simulation of grinding process electroplated CBN grinding wheel speed TC4 titanium alloy, compares electroplated CBN grinding wheel in the presence of solid lubricant coating of soft conditions at high speed grinding temperature field in TC4 titanium alloy variation. The results show that the solid lubricant coating is applied to the high-speed grinding, grinding can effectively reduce the temperature to avoid grinding burns.

DEFORM-3D; finite element simulation; solid lubricant coating; temperature

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.016

2015-03-20

国家自然科学基金资助项目(51305301)；天津市应用基础与前沿计划项目(14JCQNJC05100)；贵州省科学技术基金资助项目(黔科合J字[2014]2116号)

王晓伟(1990—)，男，河北宣化人，天津职业技术师范大学硕士研究生，主要研究方向为绿色加工技术。

TG580.1

A

2095-509X(2015)04-0067-03