摘要: 模具钢一般具有较高的淬透性和耐磨性，很难通过磨削实现精密加工 由于利用传统的磨削加工方法会产生大量的磨削热，导致工件发生表面烧伤和裂纹，严重影响工件的加工精度和加工质量 随着目前超高速磨削技术的飞速发展，模具钢等难加工材料的精密磨削已成为可能 为了解决超高速磨削过程中磨削温度的合理控制问题，提出在 软件上建立单颗磨粒 砂轮超高速磨削温度场模型 根据不同砂轮线速度下磨削弧区温度场进行了仿真与分析，发现当磨削速度超过某一数值时，磨削温度不会继续升高，甚至略有下降 证明超高速磨削技术可精密加工普通磨削难以加工的一些难加工材料，具有重要的现实意义
关键词: 模具钢; 有限元分析; 超高速磨削; 温度场
引言
磨削加工作为一种常用的精加工方式，已经成为材料加工中非常重要的一项工艺，其应用范围也在不断地扩大［ ］普通平面磨床一般很难对模具钢这样具有高耐磨性的材料进行精加工因此，目前国内加工模具钢往往是在精磨之后再通过电加工( 即线切割和电火花) 来保证所需的精度 国外也有利用普通磨削和电化学等特种加工相结合的复合加工方法来直接加工的但是这些方法都需要用到特殊的脉冲电源或者电解液，而且应用于非金属材料会比较困难
现今随着立方氮化硼砂轮的广泛使用，通过对磨削机理深入的了解与实验研究，可以发现在磨削过程中，当砂轮的线速度超过 时，会出现磨削力下降，工件表面温度也同时下降的情况［］这意味着只需要提高磨削时的砂轮线速度就可以同时满足模具钢加工的高效率高精度和高质量 为此，需要依靠有限元仿真技术，来研究在超高速磨削过程中产生这一现象的内在原因，以便更好地利用这一特性来为实际生产服务
磨削热
磨削热对工件的影响在普通磨削过程中，磨削温度通常随着磨削速度的提高而升高 磨削的高温热效应对工件的质量和使用性能有很大的影响，特别是当温度在界面上超过某一临界值时会引起表面的热损伤( 包括表面的氧化烧伤残余应力和裂纹) ，而且磨削高温会导致磨削白层的产生，白层的脆性会使工件表面易形成裂纹，即使是十分微小的裂纹，在后续的加工使用中也会显露出来，严重降低工件的疲劳强度，给零件的使用性能造成很大的安全隐患［］超高速磨削由于其砂轮的线速度极高加上模具钢硬度又非常高，在磨削过程中会产生大量的磨削热 因此必须对磨削热进行充分研究，找出磨削温度变化的规律，并将其控制在合理的范围内
热传导微分方程
由热力学第一定律可知，单位时间内，系统内能的增量等于系统热量增量与外界对系统做功之和，即( )式( ) 中: 系统能增量( )系统热量的增量( )为外界对系统所做的功，取值为零;式( ) ( ) 中: 为材料密度; 为材料比热; 为流入流出的热流强度; 为物体内部单位时间单位体积内供给的热源; 为物体内部的热源密度;图 固体微块将热力学第一定律应用于微分体 ，有( )[ ] ( )[ ]( )[ ]( )即( )( )将材料热流强度在坐标轴上的投影，即( )( )( )将式( ) ( ) ( ) 分别代入式( ) ，可得:( ) ( ) ( )( )式( ) 即为热量平衡方程，该微分方程表明，微分体升温所需要的热量应与传入微分体的热量以及微分体内热源产生的热量平衡
研究对象及几何模型
本文主要研究不同砂轮线速度下，模具钢 表面磨削弧区的温度变化情况 是一种常用的冷作模具合金钢，具有很高的淬透性和耐磨性，属于难加工材料，普通的磨削方法很难对其实现精密磨削 超高速磨削技术既可以直接用来加工像 氧化锆陶瓷这样的极硬材料，也可以用来加工铝合金铜等极软材料，应用范围非常广，但对机床硬件的要求也相对较高 另外，需要特别注意磨削弧区温度的控制，以免由于温度过高而发生工件烧伤和裂纹的产生 所以，非常有必要对 超高速磨削过程中，磨削弧区的温度进行仿真建立几何模型正确与否，不仅影响到计算机求解的时间和精度，更关系到计算结果是否准确合理 由于磨削过程中砂轮受磨粒数量多体积小几何形状不规则和每颗磨粒的磨削切深小且不一致等诸多不确定因素的影响，使磨削过程具有 模 糊 性 随 机 性 的 特 点 砂轮的模型建立十分困难［ ］通过把模具钢磨削过程看作无数个微型刀具作连续的切削加工，就可以将复杂的磨削问题简化为金属的切削问题 因此对于复杂的磨削过程研究，往往将模型简化为单颗磨粒的磨削来进行仿真研究与分析利用有限元分析软件 具有的自适应网格重划分技术，能使工件被加工部分实现网格的细分，既保证局部变形的求解精度，又简化了网格划分的难度，同时还节省了计算机的求解时间和内存消耗，为大变形的有限元分析带来了极大的便利［］有限元仿真仿真控制首先选用国际单位标准( ) ; 仿真模式为变形() 和热传递( ) ; 仿真步数() 为 步; 存储增量为每 步保存一次; 时间增量为常量 ; 网格重划分的触发条件为() 网 格 单 元 大 于 ，即 当 变 形 后 有 网 格 大 于就重新划分网格砂轮从现有的一些研究资料可知，砂轮磨料磨粒的形状大多为不规则的多面体，其顶尖角一般为 ，磨刃的前角多是负前角，根据这些特点可在 中绘制直径为 的单颗磨粒 砂轮三维图，并保存为 格式如图 所示，将绘制好的砂轮三维模型导入到的前处理中 砂轮设置成刚性( ) ，材料选择为金刚石，网格类型选择为相对类型( ) ，单元数目为个 由于 砂 轮 磨 粒 体 积 微 小，直 径 大 约 只 有 ，软件不能正确反映模型的形状，造成不能正确地模拟变形效果 因此对磨粒尺寸进行了放大 倍处理，即体积扩大了 倍，并对其所在位置进行网格的进一步细化图 砂轮及工件的网格划分试件将绘制的试件三维模型导入到 的 前 处 理中 砂轮设置成塑性( ) ，材料选择为 由于这种材料在 的默认 材 料 库( ) 中 不存在，因此需要通过查阅金属材料性能手册从而获得这种材料的一些性能参数，以定义材料的特性，其中一些重要参数见表 网格类型选择为相对类型( ) ，单元数目为个 在边界条件中令试件位置相对固定，不作任何运动表 材料性能数据参数名称及符号 数值密度弹性模量比热 ( )熔点温度导热率 ( )砂轮与试件的关系如图所示，设置砂轮为主动件( ) ，试件为从动件( ) ，摩擦类型( ) 为剪摩擦( ) ，其大小为 ; 热 传 递 系 数( ) 为组织转变与磨削温度和速度控制当磨削表面产生高温时，如果散热措施不好，很容易在工件表面几十微米到几百微米处发生二次淬火和高温回火如果磨削工件表面层的瞬间温度超过钢种的 点，在冷却液的作用下会形成二次马氏体; 而在表层下由于温度梯度大，时间短，只能形成高温回火组织( 即回火索氏体) ，这就使在表层和次表层之间产生拉应力 当工件表层的拉应力超过材料的抗拉强度时，就会产生磨削裂纹 因此，裂纹通常图 砂轮及工件的接触关系总是与烧伤相伴而生根据以上磨削缺陷成因的分析，结合 钢的临界温度，要避免烧伤和裂纹的产生就必须将 磨削弧区最高温度控制在 点以下，即 以内 在超高速磨削中，由于磨削速度提高，单位时间输入的总能量增加，会使温度有升高的趋势，但是同时传入工件的磨削热比例却远远低于普通磨削，又使工件温度有下降的趋势，造成磨削弧区温度和磨削速度呈非线性变化 如果能通过有限元仿真的方法，获得在两者综合作用下，磨削温度的变化规律 就可以根据 的材料特性找出最有利的磨削速度范围，从而将磨削温度控制在 点内较低的温度水平，避免裂纹和烧伤的产生，保证工件的质量温度场仿真结果及分析本文基于 软件对单颗磨粒超高速磨削加工过程进行了温度场仿真，并采用网格细化及网格自适应技术来优化计算结果 在工件进给速度 和切削深度 保持不变的情况下，砂轮线速度分别选取和 五组参数，所得最高温度见表表 超高速磨削模拟中磨削弧区的温度数据编号 ( ) ( ) ( ) 最高温度( ) 试验温度( )在一般的磨削过程中，磨削深度越大，所产生的磨削温度越高; 磨削速度越高，所产生的磨削温度也越高 但是比较表 中的仿真试验数据可以发现，当工件进给速度 与磨削深度 保持不变时，砂轮的线速度增加，磨削温度最高值出现了波动，但总体来看仍有所降低结合仿真结 果 可 知，造成上述现象主要有两方面的原因: 一方面，超高速磨削过程中由于提高了砂轮线速度，因此在其它条件不变的情况下砂轮单位时间输入的总能量增加了，因此磨削温度有增加的趋势; 另一方面，如图 所示在超高速磨削过程中，磨削弧区的最高温度往往出现在磨粒尖端前部一定微小距离的挤压变形区内 在超高速磨削的情况下，大部分的磨削热还来不及传导至工件的内部，就随切屑被高速旋转的砂轮给带走了，传入工件的磨削热比例远远低于普通磨削，因此磨削温度会有下降的趋势 在两者综合作用下，就出现了磨削温度在某一数值附近震荡的现象 这也从理论上解释了超高速磨削磨削弧区的温度不会随砂轮线速度提高而不断升高，可以用来方便有效地加工模具钢等难磨材料图 试验 磨削弧区的温度变化曲线截取仿真 试 验 ( 即 ; ;时) 第 至 仿真步的最高温度值进行比较，可以发现磨削弧区中最高温度的变化规律为: 一开始温度逐渐升高，到达临界值后略有下降，然后在某一温度附近趋于稳定，见表表 仿真试验 中第 至 仿真步最高温度步数最高温度步数最高温度经验证，其余 次仿真计算数据的变化也都与之类似，符合这一规律，说明此现象并非偶然情况，具有一定的普遍性 经试验表明，在其它条件不变的情况下，砂轮线速度从逐步增加到 ，金属切除率获得了极大的提高，最终的表面粗糙度可达 在使用冷却液的条件下，利用热电偶测得的五次试验磨削弧区的实际温度分别约为和 ，其中线速度为时磨削弧区温度最低效果最佳，与仿真结果相一致，并且低于临界温度因此，超高速磨削技术不仅拓宽了磨削加工的应用领域，能够用来加工像 这样的难加工材料; 提高了磨削加工的效率和精度 而且并不会由于砂轮线速度的提高而使磨削温度大幅提高，造成工件表面烧伤 甚至能使最高磨削温度有所降低，一定程度上缓解工件表面烧伤的问题可见，超高速磨削技术必将是未来磨削技术发展的趋势，将广泛应用于汽车航空航天和军事等高尖端领域
总结
采用有限元软件模拟超高速磨削加工过程，可以十分便利地分析磨削弧区温度的变化情况，更好地理解超高速磨削机理，从而为实际加工提供有力的理论依据 并能大大减少研究过程中的试验次数，提高研究效率，降低研究成本不同砂轮线速度下，磨削弧区最高温度随着砂轮线速度的提高总体呈现先上升后下降的趋势 根据试验结果可知，利用超高速磨削技术加工 模具钢，磨削速度控制在左右时，即使不采用特殊的高压喷射冷却设备而仅使用普通的冷却方法，材料表面温度也不会超过 的临界温度 这样不仅提高了磨削加工的精度和效率，有效地防止工件表面烧伤和裂纹的产生，同时也降低了额外的生产成本超高速磨削是一种经济高效的现代加工方式，与一般的普通磨削相比，在表面质量以及加工精度上都有很大的提高，甚至可以用来加工普通磨削的方法根本无法加工的那些超硬耐高温的合金材料 超高速磨削技术有着广阔的应用前景，必将是未来难加工材料超精密磨削加工发展的趋势
参考文献:［］沈琳燕，李蓓智，杨建国，冯瑞金，周振新基于 的高速超高速磨削温度的仿真研究［］制造技术与机床， ，( ) : ，［］刘伟，李家春三维车削加工的 有限元模拟［］现代机械， ，( ) : ，［］车君 华，李 绍 珍，苑 国 强 高速磨床砂轮精密修整机构研究［］机械设计， ，( ) :［］夏启龙，周志雄，黄向明，杨钦文平面磨削热源模型的仿真与比较研究［］计算机仿真， ，( ) :［］盛晓敏，等超高速磨削技术［］北 京: 机 械 工 业 出 版 社，:［］邓文君，夏伟，周照耀有限元法在切削加工过程分析中的应用［］工具技术， ，( ) :［］李传明，等 金属成形有限元分析实例指导教程［］北京: 机械工业出版社， :
