6061-T651鋁合金因強度高、重量輕、優(yōu)良的加工性能及耐腐蝕性等特點苔寝，廣泛應用于航空、車輛塑猖、船舶竹祷、儀表等各行業(yè)。隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展羊苟，機械零件的加工精度塑陵、設備裝配精度等對磨削工藝提出了更高的要求。材料在磨削加工過程中磨削參數(shù)的改變對磨削力蜡励、加工質(zhì)量以及性能有著重要影響令花。

磨削加工可使被加工表面更加光滑，獲得更小的表面粗糙度凉倚，提高被加工件的表面質(zhì)量兼都。磨削加工過程實際上是通過砂輪高速旋轉嫂沉，帶動砂輪表面千萬個微小磨粒的多個切削刃同時切削工件表面，完成滑擦扮碧、耕犁趟章、切屑三個階段。由于砂輪表面的磨粒數(shù)量眾多且形狀不規(guī)則芬萍，難以通過實驗觀察的方法來分析復雜的磨削過程尤揣。有限元分析法的不斷優(yōu)化為磨削加工的研究開辟了新的途徑，不僅有效節(jié)約了時間和成本她忱，而且彌補了實驗研究的不便蝇莲，使之逐漸成為研究磨削加工過程的重要途徑。

許多學者通過對單顆磨粒的有限元分析總結出了非常有價值的結論园秫。Sun H.Q.等通過對磨削表面劃痕的實驗研究闭腊，得到了磨料的粗細對材料去除率和加工表面粗糙度的影響變化規(guī)律，磨料顆粒越大峡稿，磨削加工表面越粗糙哀呕；反之磨料顆粒越小，加工表面質(zhì)量越好土叠。常延曉等仿真研究發(fā)現(xiàn)支捍，磨削過程中的切屑形態(tài)與磨削速度的大小有關：材料在低速磨削下容易變形硬化生成崩碎狀的切屑；而在較高速磨削下容易產(chǎn)生連續(xù)型帶狀切屑构睬。趙耀邦等使用DEFORM-3D仿真出了合適速度下陶瓷材料的最佳表面質(zhì)量抗稿。

為研究6061-T651鋁合金磨削過程及相關機理，通過ANSYS LS-DYNA建立單顆磨粒的有限元模型做近似仿真模擬歪榕，研究6061-T651鋁合金磨削過程中單顆磨粒加工參數(shù)變化對磨削力的影響基公。

1  建立有限元模型

（1）單顆磨粒模型的建立

砂輪表面分布著成千上萬的微小磨粒，大小不一且形狀各異宋欺，因此直接確定磨粒的尺寸大小和形狀存在一定困難轰豆。許多學者在研究單個磨料顆粒磨削期間參數(shù)化地模擬了磨粒形狀，將其定義為規(guī)則的幾何形狀齿诞，如球體酸休、錐體、切頭方錐體祷杈、多邊金字塔形等（見圖1）雨席。

圖1  常用磨粒形狀模型

針對磨粒在磨削過程中具備的不同特點，圓錐體模型可近似模擬磨粒切削頂尖的形狀吠式；球體能準確模擬負前角的加工特點陡厘；而截角八面體、多邊金字塔形狀更直觀展現(xiàn)了磨粒形狀的不規(guī)則性特占。

利用ANSYS LS-DYNA的實體單元建立模型糙置。因為金剛石磨粒硬度和強度遠大于6061-T651鋁合金云茸，加工時的磨損和變形都很小，可忽略不計谤饭。材料參數(shù)見表1么鹊。為方便進一步仿真研究，將磨粒近似成切頭方錐體诚悍，建立單顆磨粒三維模型（見圖2）勇震。

表1  磨粒材料性能參數(shù)

圖2  單個磨粒3D模型

（2）材料模型的建立

磨料顆粒在切削過程中產(chǎn)生高溫，并在待加工材料上產(chǎn)生大的應變毛师。Johnson-Cook本構模型能夠準確描述金屬材料在大應變率下的應力-應變關系尼摩。將材料應變硬化、應變率強化和溫度軟化三個參數(shù)相結合來表示加工過程中材料的變形情況族江。材料本構模型可表示為

式中惜荐，σ為Mises流動應力；A為初始屈服應力站号；B為材料應變強化參數(shù)用缔；C為材料應變率強化參數(shù)；n為硬化指數(shù)尔减；m為材料熱軟化指數(shù)赠粘；T  melt為材料的熔點溫度；T  0為室溫溫度缓艳。其中A校摩，B，C郎任，n，m需要通過Hopkinson壓桿（SHPB）實驗的分離來確定备籽。材料參數(shù)見表2和表3舶治。

表2  6061-T651鋁合金材料屬性

表3  6061-T651鋁合金J-C本構模型參數(shù)

使用Johnson-Cook分離準則，當單元集成節(jié)點處的應變值達到失效的預定臨界值才能產(chǎn)生失效车猬。即材料的失效參數(shù)ω>1時霉猛，可假定材料已經(jīng)失效。如果模型中所有點都失效珠闰，材料網(wǎng)格將被切斷并與工件分離惜浅，即產(chǎn)生切屑。失效參數(shù)ω為

式中伏嗜，  表示每單位時間增量步長產(chǎn)生的應變增量坛悉； 表示失效應變，受單位應變率承绸、靜水壓應力Mises偏差比和單位溫度的影響琴市。  

式中邑丰，D  1～D  5為失效系數(shù)，參數(shù)見表4殊馋。

表4  6061-T651鋁合金J-C模型失效系數(shù)

（3）模型網(wǎng)格劃分與約束

將建好的三維模型進行網(wǎng)格劃分伺免，磨削加工區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格尺寸越小越好，網(wǎng)格細化可以減小計算誤差嗤舀，但會增加計算量與仿真時間徐敢，因此要合理劃分網(wǎng)格。工件的網(wǎng)格為六面體工杀，磨粒的網(wǎng)格為四面體彰茉，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

在實際磨削加工過程中鸳辈，砂輪磨削軌跡是旋轉與直線進給的復合運動究勺，即磨料顆粒的切削軌跡為弧形。由于磨料顆粒的磨削深度通常為微米級崩旱，工件模型通常為毫米級酱劫，因此在極短時間內(nèi)通過單一磨料顆粒磨削工件材料可以近似看作磨粒的直線運動。由于砂輪轉速遠大于工件進給速度椒涯，因此假設工件相對于砂輪速度為零柄沮。仿真磨削運動時，磨粒作自左向右的勻速直線運動废岂，運動速度即為實際磨削速度祖搓，其他方向的位移和旋轉自由度全部約束；將工件設置為全約束湖苞，使其位置固定拯欧。仿真不同切削速度（15m/s，25m/s财骨，35m/s镐作，45m/s）、不同切削深度（5μm隆箩，8μm该贾，10μm，15μm）下的磨削加工過程并觀察分析磨削力的變化捌臊。

圖3  模型網(wǎng)格劃分

2  試驗仿真及結果分析

在砂輪轉速800~6000r/min范圍內(nèi)選擇4組進行仿真杨蛋，根據(jù)砂輪直徑250mm將砂輪轉速轉化為相應的切向線速度即為磨粒的運動速度，分別為15m/s肘认，25m/s蛹段，35m/s，45m/s舞铝；磨削深度在5~15μm范圍內(nèi)選擇4組進行仿真亮翁，分別為6μm饭里，9μm，12μm并臊，15μm健乾。分析不同磨削條件下單個磨料顆粒的磨削過程和失效形式并總結磨削力的變化規(guī)律。

（1）磨削速度對磨削力的影響

在磨削深度為9μm帆疚，其他條件相同的情況下煌害，不同速度下工件的表面磨削應力云圖如圖4所示。4組磨削速度分別為15m/s养烙，25m/s芦惧，35m/s，45m/s货僚。單個磨料顆粒的磨削力變化趨勢如圖5所示耙替。

圖4  不同磨削速度下的工件表面應力云圖

從仿真結果可以看出，單個磨料顆粒的磨削力隨著磨削速度的增加逐漸減小且下降速率減慢曹体。這是因為當磨削深度等其他條件完全相同時俗扇，磨削速度的增加導致磨削區(qū)域內(nèi)的工件材料溫度迅速升高，而強度和硬度降低箕别。同時減小了單個磨料顆粒的未變形切削厚度铜幽，減小了切削過程中磨粒的阻力。

圖5  磨削力變化曲線

（2）磨削深度對磨削力的影響

在磨削速度為25m/s串稀，其他條件相同時除抛，不同磨削深度下工件表面的應力云圖如圖6所示，模擬的4組磨削深度分別為6μm母截，9μm到忽，12μm，15μm清寇。單個磨料顆粒的磨削力隨磨削深度而變化喘漏，如圖7所示。

圖6  不同磨削深度下的工件表面應力云圖

圖7  磨削力變化曲線

從模擬結果分析可以看出颗管，當磨削速度等其他條件相同時静冯，隨著磨削深度增加肿功，單個磨料顆粒的磨削力逐漸增大蛮究，且增大速率逐漸降低。這是因為磨削深度改變了單個磨料顆粒與工件的接觸面積卸矾，磨削接觸面積的增加使磨粒必須克服更大的摩擦和變形以產(chǎn)生切屑家厂。

（3）磨削速度和磨削深度對成屑的影響

在磨削速度為25m/s、磨削深度為6μm的條件下填庄，磨屑的形成過程如圖8所示婿孟。在磨削剛開始時客娱，磨粒慢慢切入工件，通過擠壓變形孟盅，使工件逐漸隆起圈机，磨屑厚度隨之不斷增加（見圖8a）；隨著磨粒的不斷深入悠怕，工件材料變形加大偏戳，剪切帶內(nèi)的網(wǎng)格被不斷擠壓拉長，使工件材料沿著剪切帶發(fā)生局部剪切滑移隶谒，使隆起的材料沿磨粒前端流動攻泼，直到變形達到失效范圍，網(wǎng)格被切斷鉴象，從工件脫離形成切屑（見圖8b和圖8c）忙菠。

圖8  磨屑形成過程

通過分析仿真結果可以得出，磨屑的形成受磨削速度以及磨削深度的影響纺弊。相同條件下牛欢，4組不同磨削速度切削產(chǎn)生的基本都為粒狀磨屑，可知磨削速度的變化對磨屑形狀的影響不大俭尖。但相同條件下氢惋，不同磨削深度切削所產(chǎn)生的磨屑形狀有所不同。在磨削速度為25m/s稽犁、磨削深度為6μm時焰望，磨屑形狀為粒狀，磨屑體積較幸押ァ熊赖；而隨著磨削深度的不斷增加，磨屑形狀變?yōu)闂l狀虑椎、帶狀咱窜，磨屑體積變大。

小結

（1）當磨削深度等其他條件完全相同時疚傲，隨著磨削速度增大寂逛，單顆磨粒的磨削力逐漸減小，且遞減的速率呈先增大后減小的趨勢痕豺。

（2）當磨削速度等其他條件完全相同時亏铃，隨著磨削深度增加，單顆磨粒的磨削力逐漸增大努辛，且增大的速率逐漸降低穴眼。

（3）在磨削過程中，磨削深度和磨削速度對磨屑的形狀有一定影響，但磨削深度對磨屑形狀的影響更大没赔。

原載《工具技術》  作者：曹顏楠  

（工具技術）

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