基于有限元與分子動力學的恒壓磨削研究.pdf

1、砂帶磨削作為一種較新的機械加工技術,具有加工效率高、適應性強、使用成本低等優(yōu)點,廣泛應用于現代制造業(yè)的各個領域中。近年來,隨著新的磨削材料出現以及磨削設備的研制,砂帶磨削加工無論在精密加工技術還是在高效磨削技術上均有長足的發(fā)展。在超精密加工方面,一些先進工業(yè)國家已發(fā)展出納米級的砂帶研磨加工技術,砂帶磨削在超精密加工的應用前景十分廣闊。當前,宇航、光學儀器和精密儀器等領域對元器件的質量要求很高,如金屬基片的加工需要達到納米級的表面粗糙度。

2、研究超精密砂帶磨削的磨削機理對改善超精密磨削加工工藝和提高磨削加工質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理是有所區(qū)別的。當前磨削加工的研究重點主要集中在固結砂輪的磨削過程的分析,對具有彈性磨削的砂帶磨削機理還有待進一步的分析和研究。從這種現狀出發(fā),本文一方面針對普通砂帶磨削加工中磨削溫度進行了分析和研究。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模型；并通過實驗驗證了模型的可

3、靠性。另一方面,針對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理,采用分子動力方法,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,本文主要創(chuàng)新性成果包括:
　　 (1)基于分子動力學方法,建立了單磨粒的納米恒壓磨削分子動力模型,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力分布的變化規(guī)律。本文提出的納米恒壓磨削分子動力模型以多種勢函數相結合

4、的方式(原子嵌入法勢函數、Tersoff勢函數及Morse勢函數)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動源驅動。模擬實驗結果發(fā)現,磨削過程中三個軸向磨削力變化皆有振動現象,但振動幅度較為穩(wěn)定；磨粒行進阻力的大小與磨削壓力大致為線性關系:當磨削速度達到一定程度后,磨粒所受阻力逐漸趨于平穩(wěn)。等效應力模擬結果表明,磨粒與工件的接觸區(qū)域存在效大的應力集中；當磨削壓力達到一定程度,接觸區(qū)域的下方及前方也有應力集中

5、現象。溫度分布的分析結果發(fā)現,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。上述的分析結果表明,在納米磨削加工中,對磨粒施加的壓力不宜過高,否則容易造成更深層的應力集中；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稱參數分布,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)生形變的強烈程度。中心對稱參數則十分適合分析面缺陷型形變。通過結合這兩種參數的分布變化,可以有效地研究磨削過程的工件表層的形變情況。模擬結果發(fā)現,當磨削壓力達到一定程度時,面心立方結構的單晶材料很容易產生{111}滑移,發(fā)生滑移的晶面和滑移的強度與磨粒行進的方向以及滑移面的相互位置有關,在磨粒前方及兩側的{111}晶面很容易發(fā)生滑移形變。另外,原子間相互作用的強弱也會影響磨削加工所產生的形變。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；而原子間強作用力的鎢材料工件,只有接觸區(qū)域附近出現塑性形變,工件表層下主要呈現彈性形變。上述分析表明,在對面心立方單晶金屬材料的納米磨削加工中,磨削方向應避免對{111}滑移面施加較大的壓力,同時應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熱源有限元熱學模型,并結合模擬實驗及實際實驗分析了砂帶磨削加工中磨削溫度的分布規(guī)律。有限元熱學模型是

8、根據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。有限元模擬結果和實際測量結果相比,有限元模擬結果的最高磨削溫度誤差在3％～5％之間,單點溫度的連續(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。由于該有限元熱學模型綜合考慮了磨粒材料、磨粒粒度以及磨削速