基于有限元與分子動(dòng)力學(xué)的恒壓磨削研究.pdf

1、砂帶磨削作為一種較新的機(jī)械加工技術(shù),具有加工效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中。近年來,隨著新的磨削材料出現(xiàn)以及磨削設(shè)備的研制,砂帶磨削加工無論在精密加工技術(shù)還是在高效磨削技術(shù)上均有長足的發(fā)展。在超精密加工方面,一些先進(jìn)工業(yè)國家已發(fā)展出納米級(jí)的砂帶研磨加工技術(shù),砂帶磨削在超精密加工的應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)前,宇航、光學(xué)儀器和精密儀器等領(lǐng)域?qū)υ骷馁|(zhì)量要求很高,如金屬基片的加工需要達(dá)到納米級(jí)的表面粗糙度。

2、研究超精密砂帶磨削的磨削機(jī)理對(duì)改善超精密磨削加工工藝和提高磨削加工質(zhì)量有十分重要的意義。
　　 彈性砂帶磨削和剛性砂輪的磨削加工機(jī)理是有所區(qū)別的。當(dāng)前磨削加工的研究重點(diǎn)主要集中在固結(jié)砂輪的磨削過程的分析,對(duì)具有彈性磨削的砂帶磨削機(jī)理還有待進(jìn)一步的分析和研究。從這種現(xiàn)狀出發(fā),本文一方面針對(duì)普通砂帶磨削加工中磨削溫度進(jìn)行了分析和研究。通過分析恒壓磨削的彈性磨削特性,提出了一種適合彈性恒壓磨削的有限元熱學(xué)模型；并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可

3、靠性。另一方面,針對(duì)超精密砂帶磨削加工,本文著重探討了恒壓磨削形式的超精密磨削加工機(jī)理,采用分子動(dòng)力方法,較為全面地研究了納米尺度下單磨粒的恒壓磨削加工過程。
　　 歸納起來,本文主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括:
　　 (1)基于分子動(dòng)力學(xué)方法,建立了單磨粒的納米恒壓磨削分子動(dòng)力模型,研究了單晶銅材料的工件在不同磨削速度和磨削壓力下,磨削力、磨削溫度分布以及工件應(yīng)力分布的變化規(guī)律。本文提出的納米恒壓磨削分子動(dòng)力模型以多種勢(shì)函數(shù)相結(jié)合

4、的方式(原子嵌入法勢(shì)函數(shù)、Tersoff勢(shì)函數(shù)及Morse勢(shì)函數(shù))來確定原子間的作用；模型中磨粒被施加恒定的磨削壓力,并由帶阻尼的恒速驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),磨削過程中三個(gè)軸向磨削力變化皆有振動(dòng)現(xiàn)象,但振動(dòng)幅度較為穩(wěn)定；磨粒行進(jìn)阻力的大小與磨削壓力大致為線性關(guān)系:當(dāng)磨削速度達(dá)到一定程度后,磨粒所受阻力逐漸趨于平穩(wěn)。等效應(yīng)力模擬結(jié)果表明,磨粒與工件的接觸區(qū)域存在效大的應(yīng)力集中；當(dāng)磨削壓力達(dá)到一定程度,接觸區(qū)域的下方及前方也有應(yīng)力集中

5、現(xiàn)象。溫度分布的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同壓力下,最高磨削溫度較為穩(wěn)定；另外,磨削高溫主要位于磨屑堆積處。上述的分析結(jié)果表明,在納米磨削加工中,對(duì)磨粒施加的壓力不宜過高,否則容易造成更深層的應(yīng)力集中；在同樣磨削壓力下,可通過增加磨削速度來提高磨削穩(wěn)定性及磨削效率。
　　 (2)提出原子鄰接變化率的概念,利用原子鄰接變化率分布和中心對(duì)稱參數(shù)分布,研究了各向異性單晶金屬材料在納米磨削加工過程中工件表層的范性形變規(guī)律。原子鄰接變化率用來分析

6、原子所在位置的發(fā)生形變的強(qiáng)烈程度。中心對(duì)稱參數(shù)則十分適合分析面缺陷型形變。通過結(jié)合這兩種參數(shù)的分布變化,可以有效地研究磨削過程的工件表層的形變情況。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)磨削壓力達(dá)到一定程度時(shí),面心立方結(jié)構(gòu)的單晶材料很容易產(chǎn)生{111}滑移,發(fā)生滑移的晶面和滑移的強(qiáng)度與磨粒行進(jìn)的方向以及滑移面的相互位置有關(guān),在磨粒前方及兩側(cè)的{111}晶面很容易發(fā)生滑移形變。另外,原子間相互作用的強(qiáng)弱也會(huì)影響磨削加工所產(chǎn)生的形變。原子間作用較弱的單晶鎂材料,

7、磨削過程中其表層下并無明顯形變；而原子間強(qiáng)作用力的鎢材料工件,只有接觸區(qū)域附近出現(xiàn)塑性形變,工件表層下主要呈現(xiàn)彈性形變。上述分析表明,在對(duì)面心立方單晶金屬材料的納米磨削加工中,磨削方向應(yīng)避免對(duì){111}滑移面施加較大的壓力,同時(shí)應(yīng)選擇低致密度晶面作為被磨削面避免磨粒的受力發(fā)生振蕩。
　　 (3)研究提出了適合用于砂帶恒壓磨削的移動(dòng)熱源有限元熱學(xué)模型,并結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析了砂帶磨削加工中磨削溫度的分布規(guī)律。有限元熱學(xué)模型是

8、根據(jù)彈性接觸輪與工件間的接觸壓力分析以及磨削熱分配比分析建立的。研究首先通過分析接觸輪與工件的壓力分布,通過改進(jìn)了Signorini接觸模型來獲得得到工件表面壓力分布。磨削熱分配比則根據(jù)磨屑熱分析和微觀磨粒與工件接觸模型確定。有限元模擬結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果相比,有限元模擬結(jié)果的最高磨削溫度誤差在3％～5％之間,單點(diǎn)溫度的連續(xù)變化的誤差約在4％?？傮w上,本文建立的有限元模型較為可靠。由于該有限元熱學(xué)模型綜合考慮了磨粒材料、磨粒粒度以及磨削速