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      玻璃陶瓷內(nèi)孔旋轉(zhuǎn)超聲磨削出口崩邊面積研究*

      2022-07-15 06:23:56方振龍
      航空制造技術(shù) 2022年12期
      關(guān)鍵詞:磨粒砂輪主軸

      方振龍

      (長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長春 130033)

      隨著新技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)無法滿足高性能產(chǎn)品的需要,而陶瓷材料由于具有優(yōu)異的硬度、耐磨性和腐蝕性,在航空航天、冶金化工以及生命醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1]。

      陶瓷材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)方面性能,因而造成常規(guī)成型工藝無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工,使其成為典型難加工材料,特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量加工更為困難,在很大程度上限制了陶瓷類零件的大規(guī)模推廣與應(yīng)用[2–3]。在眾多成型加工中,孔加工是機(jī)械成型工藝中最重要的工序之一,占機(jī)械工藝總量的30%以上[4]。對(duì)于陶瓷類脆性材料,傳統(tǒng)的孔加工方式基本存在工具偏離、崩邊過大以及精度過低等問題,甚至是無法實(shí)現(xiàn)深孔的成型加工[5]。為了突破陶瓷材料孔加工質(zhì)量較差的瓶頸,多工藝復(fù)合加工方式成為現(xiàn)階段的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

      太原理工大學(xué)的霍瑞超[6]針對(duì)工程陶瓷加工中質(zhì)量較差的問題,設(shè)計(jì)了自由質(zhì)量塊捕捉裝置,通過孔雙面加工試驗(yàn)研究了崩邊面積的變換規(guī)律和出口崩邊過大的問題。南京航空航天大學(xué)的王茂等[7]針對(duì)陶瓷材料加工中切削力過高、刀具磨損過大以及加工質(zhì)量較差的問題,提出了激光誘導(dǎo)氧化輔助銑削的復(fù)合加工方法,通過試驗(yàn)對(duì)切削力和表面粗糙度進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。林佳杰等[8]針對(duì)工程陶瓷傳統(tǒng)加工中存在質(zhì)量較差的問題,提出了超聲螺旋磨削制孔的加工方式,進(jìn)行了磨削試驗(yàn)對(duì)內(nèi)孔表面質(zhì)量的研究。饒小雙[9]針對(duì)工程陶瓷超聲加工中出現(xiàn)的邊緣破損進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,并通過有限元軟件對(duì)加工中裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行了理論分析,最后通過工藝試驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。Egashira等[10]設(shè)計(jì)了陶瓷材料的超聲振動(dòng)微孔加工,認(rèn)為加工中出現(xiàn)的應(yīng)力分布不均是微孔邊緣破損的主要因素。Qin等[11]基于脆性材料的壓痕斷裂力學(xué)理論構(gòu)建了高頻超聲振動(dòng)磨削制孔的切削力模型,以此分析了孔加工過程中陶瓷材料在超聲振動(dòng)作用下的去除機(jī)理。

      可以看出,超聲輔助旋轉(zhuǎn)磨削加工方式在陶瓷材料制孔方面具有較高的加工質(zhì)量。目前,關(guān)于崩邊的研究主要以平面磨削為主,在孔加工方面研究仍存在不足,尤其缺乏陶瓷材料出口崩邊的理論研究。因此,本文基于Abaqus軟件建立金剛石砂輪磨削制孔的仿真模型,對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工中出口崩邊的形成機(jī)理進(jìn)行分析,并設(shè)計(jì)了玻璃陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削試驗(yàn)對(duì)仿真研究進(jìn)行驗(yàn)證,從工藝參數(shù)角度對(duì)崩邊面積的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。

      1 有限元仿真

      1.1 幾何模型

      使用Abaqus仿真軟件建立金剛石砂輪磨削制孔的三維裝配模型,其中砂輪使用Solidworks軟件進(jìn)行繪制并通過縮放導(dǎo)入到Abaqus軟件中,陶瓷工件使用Abaqus進(jìn)行繪制,模型尺寸為2.0mm×2.0mm×0.5mm,如圖1所示。為了盡可能模擬砂輪表面磨粒的形狀和分布情況,使用幾種不同形狀的磨粒進(jìn)行交叉排列。砂輪和工件各邊分別進(jìn)行布種后,采用局部細(xì)化方式對(duì)砂輪和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以加快仿真收斂速度。網(wǎng)格的類型設(shè)置為六面體單元,單元類型設(shè)置為應(yīng)力分析。

      1.2 仿真條件

      陶瓷作為典型的脆性材料,基本通過脆性斷裂的方式形成材料去除,因此基于最大正應(yīng)力準(zhǔn)則對(duì)玻璃陶瓷的斷裂失效進(jìn)行判斷。在Abaqus軟件中,通過對(duì)材料屬性中Cracking Brittle進(jìn)行參數(shù)化定義,實(shí)現(xiàn)切屑組織的線彈性形變及斷裂。本構(gòu)模型中,應(yīng)力和應(yīng)變之間呈正比例變化,當(dāng)單元的應(yīng)力超過拉伸極限時(shí),將單元視為刪除并形成切屑。斷裂方程可以表達(dá)為

      式中,σ1、σ2、σ3為工件受到的空間三維應(yīng)力;σ0為玻璃陶瓷的抗拉強(qiáng)度。玻璃陶瓷和金剛石材料的力學(xué)性質(zhì)如表1所示[12]。

      根據(jù)仿真需求,對(duì)磨粒和工件間的相互接觸進(jìn)行設(shè)置。在接觸屬性中通過“硬”接觸對(duì)磨粒和工件之間的法向接觸進(jìn)行設(shè)置,通過“罰”接觸對(duì)磨粒和工件之間的切向接觸進(jìn)行設(shè)置,其中“罰”接觸中摩擦系數(shù)由庫倫摩擦定律進(jìn)行設(shè)置,即

      式中,τf為摩擦剪切壓力;σn為正壓力;τmax為最大摩擦剪切壓力;μ為摩擦系數(shù)。

      對(duì)仿真中工件幾何模型的4個(gè)側(cè)面進(jìn)行完全約束,模擬試驗(yàn)中工件的固定情況。對(duì)于砂輪的邊界條件,分別為普通磨削和旋轉(zhuǎn)超聲磨削兩種運(yùn)動(dòng)方式。在普通磨削加工中,砂輪對(duì)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿主軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加載。而旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工是在普通磨削的基礎(chǔ)上,通過設(shè)置幅值曲線對(duì)高頻振動(dòng)進(jìn)行設(shè)置,實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助磨削的孔加工。

      1.3 仿真分析

      玻璃陶瓷工件磨削制孔過程及應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖2所示??梢钥闯?,受到主軸的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給作用,砂輪表面磨粒對(duì)工件材料逐漸去除,當(dāng)工件內(nèi)部即將形成通孔時(shí),砂輪底部壓應(yīng)力逐漸演化成拉應(yīng)力,此時(shí)在砂輪底部磨粒位置和工件孔四周形成了應(yīng)力極大值區(qū)域,受到拉應(yīng)力的影響將在工件底部出現(xiàn)較深的裂紋,當(dāng)裂紋向下擴(kuò)展時(shí),最終形成了出口崩邊。

      圖2 應(yīng)力分布仿真圖Fig.2 Stress distribution simulation diagram

      圖3~5為通孔仿真中不同加工參數(shù)條件下出口崩邊的對(duì)比情況,超聲輔助磨削時(shí)功率都為100W。圖3為普通磨削和旋轉(zhuǎn)超聲磨削時(shí)崩邊的仿真對(duì)比情況,其中砂輪主軸轉(zhuǎn)速為12000r/min,進(jìn)給速度為1mm/min;圖4為旋轉(zhuǎn)超聲磨削條件下主軸轉(zhuǎn)速對(duì)崩邊影響的仿真對(duì)比情況,其中砂輪進(jìn)給速度為1mm/min,主軸轉(zhuǎn)速分別為6000r/min和18000r/min;圖5為旋轉(zhuǎn)超聲磨削條件下進(jìn)給速度對(duì)崩邊影響的仿真對(duì)比情況,其中砂輪主軸轉(zhuǎn)速為12000r/min,進(jìn)給速度分別為0.6mm/min和1.4mm/min。

      圖3 兩種磨削方式對(duì)崩邊面積的影響Fig.3 Effect of two kinds of grinding processes on edge chipping area

      圖4 旋轉(zhuǎn)超聲磨削下主軸轉(zhuǎn)速對(duì)崩邊面積的影響Fig.4 Effect of spindle speed on edge chipping area in rotary ultrasonic grinding

      由圖3可知,在普通磨削加工中,受到砂輪的作用,應(yīng)力主要集中在通孔周圍,由于砂輪表面磨粒的隨機(jī)性,在出口位置形成的崩邊也具有不確定性,在出口四周均可出現(xiàn)面積不等的貝殼狀崩邊,對(duì)形成的通孔圓度造成了嚴(yán)重的影響。由圖4可知,在旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工中,由于超聲能量的作用,工件基體內(nèi)部的應(yīng)力處于較高的水平,相當(dāng)于降低了砂輪底部的應(yīng)力等級(jí),對(duì)通孔加工中崩邊的情況起到了改善作用。由圖5可知,進(jìn)給速度增大,崩邊面積也隨之增加,這是由于進(jìn)給速度較大時(shí)砂輪每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切削量也較大,從而形成更大的崩邊面積。

      圖5 旋轉(zhuǎn)超聲磨削下進(jìn)給速度對(duì)崩邊面積的影響Fig.5 Effect of feed rate on edge chipping area in rotary ultrasonic grinding

      2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      圖6為試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)儀器。圖6(a)為試驗(yàn)中使用的德國德瑪吉數(shù)控加工中心,運(yùn)動(dòng)精度為0.1μm;圖6(b)為加工中使用的超聲振動(dòng)專用砂輪,砂輪前端通過電鑄方式實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒的固定,中心為通孔可實(shí)現(xiàn)冷卻液的流動(dòng);圖6(c)為超聲加工中使用的數(shù)控超聲波發(fā)生器,對(duì)機(jī)床上裝夾的超聲刀柄提供加工所需的能量,可以通過控制超聲波發(fā)射器的功率來實(shí)現(xiàn)超聲振幅的調(diào)節(jié);圖6(d)為激光共聚焦顯微鏡,對(duì)加工后工件表面的出口崩邊形貌及面積進(jìn)行檢測(cè)。

      圖6 加工和檢測(cè)設(shè)備Fig.6 Processing and testing equipments

      試驗(yàn)前將玻璃陶瓷表面進(jìn)行精磨并拋光,工件尺寸為40mm×15mm×4mm,安裝好超聲刀柄及砂輪后超聲波發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)超聲頻率的自適應(yīng)調(diào)節(jié),保持振動(dòng)頻率的穩(wěn)定。通過將工件固定在特制的夾具上,工件中心呈懸空狀態(tài)防止對(duì)出口崩邊產(chǎn)生干擾,磨削加工中使用Blaser Swisslube Grindex 10冷卻液對(duì)砂輪表面進(jìn)行降溫、排屑和潤滑。機(jī)床和砂輪主要性能參數(shù)如表2所示。

      表2 機(jī)床和砂輪主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of machine tool and grinding wheel

      試驗(yàn)中采用單因素變量方式進(jìn)行磨削加工,工藝參數(shù)分別為主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和超聲功率,通過對(duì)超聲功率進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)砂輪軸向振幅的改變,試驗(yàn)參數(shù)如表3所示(其中超聲功率P為0,表示普通磨削,P取其他值則表示超聲磨削)。試驗(yàn)完成后,將玻璃陶瓷工件放在裝有無水乙醇溶液的超聲清洗機(jī)中,經(jīng)過多次清洗后使用激光共聚焦顯微鏡OLS3000對(duì)出口崩邊進(jìn)行檢測(cè)。

      表3 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters

      3 結(jié)果與分析

      磨削初始階段,工件主要受到砂輪的壓應(yīng)力作用,隨著深度的逐漸增加,砂輪底部材料的受力狀態(tài)也將發(fā)生改變,從加工初始階段的壓應(yīng)力逐漸變成拉應(yīng)力。玻璃陶瓷作為典型的脆性材料,在受到拉應(yīng)力時(shí)極易導(dǎo)致脆性裂紋的發(fā)生,并最終演化為出口崩邊,對(duì)孔質(zhì)量造成影響。

      圖7為試驗(yàn)后玻璃陶瓷工件出口崩邊情況及崩邊面積的測(cè)量方案,可以看出,加工后的出口位置形成了大面積的月牙形崩邊,結(jié)合仿真中應(yīng)力分布曲線可知,磨削加工中玻璃陶瓷材料在受到拉應(yīng)力時(shí)極易形成脆性斷裂,當(dāng)應(yīng)力較高時(shí),工件底面材料無法承受砂輪的擠壓發(fā)生了整體分離,最終形成了大面積的崩邊。當(dāng)大面積的崩邊發(fā)生后,在孔周圍仍舊殘留部分材料,此時(shí)砂輪磨粒繼續(xù)進(jìn)行磨削加工,由于殘留材料體積較小,導(dǎo)致應(yīng)力后續(xù)磨削時(shí)加工區(qū)域應(yīng)力水平較低,從而在出口其他區(qū)域形成了面積較小的連續(xù)崩邊,驗(yàn)證了有限元仿真的合理性。

      圖7 出口崩邊及測(cè)量方案Fig.7 Exit edge chipping and measurement scheme

      通過對(duì)試驗(yàn)后通孔形狀進(jìn)行觀察,可以看出,在不同的工藝參數(shù)條件下崩邊形狀有著顯著的區(qū)別,通過ImageJ軟件對(duì)崩邊面積進(jìn)行測(cè)量并作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)通孔質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

      圖8為不同主軸轉(zhuǎn)速條件下,試驗(yàn)后出口崩邊面積的變化情況。可以看出,無論是普通磨削還是旋轉(zhuǎn)超聲磨削,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)崩邊面積都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),并且崩邊面積減小的趨勢(shì)逐漸變緩。磨削加工中,隨著轉(zhuǎn)速的增加金剛石磨粒參與磨削的次數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加,在材料去除體積保持不變的前提下,單顆磨粒的最大切削深度就會(huì)減小,降低了孔底部所承受的拉應(yīng)力,因而有效降低了出口周圍的崩邊面積。通過對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲磨削和普通磨削進(jìn)行對(duì)比,可以看出,超聲振動(dòng)對(duì)崩邊情況起到了改善作用,超聲磨削時(shí)崩邊面積平均降低了55.9%。

      圖8 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)崩邊面積的影響Fig.8 Effect of spindle speed on edge chipping area

      圖9為不同進(jìn)給速度條件下,試驗(yàn)后出口崩邊面積的變化情況??梢钥闯觯S著進(jìn)給速度的增加崩邊面積也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí),單位時(shí)間內(nèi)材料的去除體積也會(huì)隨之增加,因此導(dǎo)致砂輪表面的磨粒壓入工件的深度增加形成更大的去除量,從而產(chǎn)生了較大的崩邊面積。在旋轉(zhuǎn)超聲磨削中,磨粒和工件之間的接觸時(shí)間也會(huì)增加,在振動(dòng)頻率不變的情況下,這造成磨削力變大從而產(chǎn)生更大的出口崩邊。整體上看,相比于普通磨削,旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工崩邊面積明顯更小,施加超聲振動(dòng)時(shí)出口崩邊面積平均降低了49.3%。

      圖9 進(jìn)給速度對(duì)崩邊面積的影響Fig.9 Effect of feed rate on edge chipping area

      圖10為不同超聲功率條件下,試驗(yàn)后出口崩邊面積的變化情況??梢钥闯?,當(dāng)超聲功率增加時(shí),由于磨粒與工件之間的有效接觸時(shí)間減小造成磨削力逐漸降低,導(dǎo)致玻璃陶瓷的出口崩邊面積呈逐漸降低的趨勢(shì)。但由于砂輪振幅隨著超聲功率的增加而增加,隨著超聲功率的增大崩邊面積降低的趨勢(shì)逐漸平緩。相比于普通磨削,在超聲功率為20W時(shí),崩邊面積下降的程度最大,達(dá)到了29.3%;超聲功率為100W時(shí),崩邊面積下降率最低,為7.5%,此時(shí)相比于普通磨削加工,崩邊面積降低了57.8%。

      圖10 超聲功率對(duì)崩邊面積的影響Fig.10 Effect of ultrasonic power on edge chipping area

      4 結(jié)論

      本文通過Abaqus軟件建立了砂輪磨削制孔的仿真模型,對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工中出口崩邊的形成機(jī)理進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了玻璃陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削試驗(yàn),從試驗(yàn)和仿真兩方面對(duì)崩邊面積的變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論。

      (1)仿真結(jié)果表明,隨著切削深度逐漸增加,玻璃陶瓷由初始階段的壓應(yīng)力逐漸變成拉應(yīng)力,在拉應(yīng)力作用下工件底部出現(xiàn)較深裂紋,當(dāng)裂紋向下擴(kuò)展時(shí),最終形成了出口崩邊,且旋轉(zhuǎn)超聲磨削對(duì)通孔加工中的崩邊情況起到改善作用。

      (2)單因素磨削試驗(yàn)表明,主軸轉(zhuǎn)速增加,出口崩邊面積呈逐漸減小趨勢(shì)。對(duì)比旋轉(zhuǎn)超聲磨削和普通磨削時(shí)的崩邊面積,前者的崩邊面積比后者的平均降低了55.9%。隨著進(jìn)給速度增加,出口崩邊面積呈逐漸增加趨勢(shì)。相比于普通磨削時(shí)的出口崩邊面積,旋轉(zhuǎn)超聲磨削時(shí)的明顯更小,其出口崩邊面積平均降低了49.3%。隨著超聲功率增加,出口崩邊面積呈逐漸減小趨勢(shì),且隨超聲功率增大崩邊面積減小的趨勢(shì)逐漸平緩。當(dāng)超聲功率為100W時(shí)崩邊面積最小,相比于普通磨削時(shí)的加工崩邊面積降低了57.8%。

      目前來看,通過施加軸向超聲振動(dòng)對(duì)降低崩邊面積具有一定的作用,然而在崩邊深度以及微裂紋擴(kuò)展方面還需要進(jìn)行深入的研究。

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