基于Deform+3D的高速超高速磨削温度的仿真研究

盎司：京飘御诌与份ｊ投本１

Ｔｏｐｉｃｓ：Ｖｉｒｔｕａｌ

Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄ

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌ

基于Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ的高速超高速磨削温度的仿真研究。

沈琳燕

李蓓智

杨建国

冯瑞金

周振新

（东华大学机械工程学院，上海２０１６２０）

摘要：采用有限元分析软件Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ建立了适合高速磨削仿真的Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ材料本构模型，构建了

反映金属磨削过程高温、大应变及高应变率状态的切削模型，模拟了４０Ｃｒ钢磨削加工过程，对磨削弧区温度场、热流以及温度变化的仿真结果进行了分析，验证了有限元模型的合理性。为实现对工艺参数的优化选择奠定了理论基础。

关键字：高速磨削Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ仿真温度

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎＵｌｔｒａ－ｈｉｇｈＳｐｅｅｄＧｒｉｎｄｉｎｇＢａｓｅｄ

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ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，ＣＨＮ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｏｒｍ３Ｄｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＧｒｉｎｄｉｎｇ；Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

磨削技术在材料加工中有着极其苇要的地位，它不仅是大部分产品形成前的最后一道工序，而且随着磨削技术的飞速发展，磨削加工的能力和范围也正在１３益扩大。超高速磨削是一种能高效、经济地制造高质量零件的现代加工技术，它叮大大提高ＪｊⅡ－ｒ生产率和工件表面质量，并能实现粘性金属和脆性金属等难加工材料的精加工，大幅度缩短产品的生产制造周期，降低加工成本¨刁１。

但由于实际加工过程中的磨削温度、应力、应变等的测量极其困难，单纯依靠实验很难对磨削机理进行深入地研究。采用有限元法分析外圆磨削加工过程不仅有利于对磨削机理的理解，而且也是机械加工工艺优化的有利工具。与直接实验方法相比，该方法费用低，耗时短，在考虑多因素时其优势尤为屁著，同时，随着计算机运算和视觉技术的发展，也必将促进虚拟加工的进一步发展Ｈ。Ｊ。

Ｌｉｕ等∞。对纳米结构涂层材料的微磨采用热弹塑性有限元方法建立了２Ｄ模型，指出磨粒切削作用和

挤光效应是磨削后涂层中应力改变的主要原因；Ｈ６ｄｉ等一’提出了ＡＩＳＩ５２１００钢磨削过程的有限元热力耦合２Ｄ模型；ＳＴＲＥＮＫＯＷＳＫＩ等一。采用了基于Ｅｕｌｅｒｉａｎ的正交有限元切削模型与基于ＵＳＵＩ的３Ｄ切削分析模型相耦合的方法，提出３Ｄ切削的预算模型；明兴祖等一ｊ采用ＰＲＡＮＤＴＬ—ＲＥＵＳＳ方法建立了应力应变场本构关系，构造了３Ｄ力热耦合磨齿模型。

本文运用商业化软件ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ，针对工程常用材料４０Ｃｒ钢进行了高速超高速磨削工艺仿真试验，对其砂轮线速度在６０～２１０ｍ／ｓ条件下的磨削弧区温度进行对比分析，揭示超高速磨削的磨削温度变化规律和机理，实现对工艺参数的优化选择提供理论依据。

１

１．１

有限元模拟的理论基础

Ｊ－Ｃ材料本构模型的建立

本文采用４０Ｃｒ钢作为工件材料，并用Ｊｏｈｎｓｏｎ—

Ｃｏｏｋ（Ｊ－Ｃ）材料本构模型描述Ｔ件材料。Ｊ—Ｃ材料模型是一个能反映应变率强化效应和温升软化效应的理

木上海市重点学科建设项Ｉｑ资助（Ｂ６０２），国家９７３计划项目资助（２００９ＣＢ７２４４０３）

鼍乡象鲁磐等

万方数据

２５

Ｉ竞蔼：京弧铷诌与碍罩敖木

想刚塑性强化模型，该模型利用变量乘积关系分别描述应变、应变率和温度的影响。该模型具体表述式如下：

Ｇｒ＝［Ａ＋口（７）“］［１＋明ｎ；‘］［１一（Ｔ’）”］（１）式中：Ａ、Ｂ、Ｃ、凡、ｍ分别为材料参数；；‘为量纲（应变率），；＋＝７／；。；７为有效塑性应变率；；。为参考塑性应变率，一般取Ｇ４０＝１ｓ～；Ｔ＋为量纲（温度），Ｔ’＝（Ｔ—ｔ）／（Ｌ—ｚ）；ｚ为参考温度；ｒｍ为熔点温度；Ｔ为样品环境温度。

Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ材料模型实际上给出的是ｙｏｎ—Ｍｉ一￥ｅＳ流动应力矿。与等效塑性应变彰、相对等效塑性应

变率；＋＝彰／蠢和无量纲温度ｒ。之间的函数关系。

同时，给出了断裂应变的表达式。

１．２

自适应网格重划分技术

金属磨削过程可以看作是无数个微型刀具作切削

加工，其形成过程即为工件产生塑性变形并发生切屑与工件的分离。所采用的有限元法主要有两种，即弹塑性有限元法和刚塑性有限元法。在工件尺寸、网格划分数量等条件相同的情况下，两者所得出的应力、应变、温度分析结果几乎相同。由于本文对工件加工后的残余应力和回弹问题不予研究，故采用刚塑性有限元模型即可，它的求解速度比弹塑性有限元模型快３～５倍。

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