CN108595887B - 一种聚晶cbn磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，步骤如下：（1）：使用Matlab软件绘制泰森多边形，并建立聚晶CBN磨粒微晶结构模型；（2）：完善单颗磨粒磨削仿真模型，赋予材料属性、划分网格、定义边界条件；（3）：完成磨削过程仿真及后处理，获取磨削过程的应力分布、磨削力变化等数据用于后续分析；（4）：依据强度准则预测磨粒磨损区域，并更新轮廓；（5）：更新单颗磨粒磨削模型；（6）：完成模型调整后，返回步骤（3）继续进行磨削仿真。本发明结合了泰森多边形分割技术、聚晶CBN磨粒磨削技术和有限元仿真技术，实现了磨削过程的动态模拟，以及聚晶CBN磨粒在磨削过程中的磨损演变的预测。

Description

一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法
技术领域
本发明提出一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，利用仿真手段模拟单颗聚晶CBN磨粒磨削过程并预测磨损形貌演变，属于有限元仿真技术领域。
背景技术
由于钛合金、镍基高温合金等合金材料具有优异的物理力学性能，因此被广泛应用于航空航天等领域，而优异的材料性能也带来了极大的加工难度，难以获得较高的制造精度和表面质量。单层钎焊聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic boron nitride，PCBN)砂轮拥有较高的磨粒把持强度、砂轮锋利度和较大的容屑空间，可以用于高效精密磨削难加工合金材料。在磨削过程中，较高的磨削载荷会造成聚晶CBN磨粒快速磨损，而单层钎焊聚晶CBN砂轮在磨粒磨损脱落后无法通过修整来继续使用。因此，探索聚晶CBN磨粒的磨损过程及规律，对于控制磨粒磨损速率、提高单层钎焊聚晶CBN砂轮使用寿命具有重要意义。
对于磨削过程中的聚晶CBN磨粒而言，磨削力是直接作用在磨粒上并导致磨粒发生破碎的外在因素，而磨粒内部的应力是引起磨粒磨损的内在原因。因此，探究磨粒的磨损规律需要考虑磨粒在工况条件下的内应力分布情况。考虑到磨粒尺寸及实验条件，无法通过实验手段测量磨削过程中磨粒的内应力分布情况。而有限元分析(FEA)方法已被广泛地应用于内应力问题研究中，通过理论计算得出磨削过程中磨粒的内应力变化。因此，可以利用有限元仿真方法，模拟磨削过程中聚晶CBN磨粒的磨削表现，并研究聚晶CBN磨粒的磨损规律及控制策略。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了提供一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，弥补现有技术无法通过实验手段测量磨削过程中磨粒内部应力分布不足的问题。
本发明提供的聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算，能够模拟聚晶CBN磨粒在磨削过程中内应力的分布情况，并预测磨损行为，为聚晶CBN磨粒磨损规律及控制策略的研究提供理论基础。
技术方案：本发明是通过如下技术方案实现的：
一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法：
首先，使用Matlab软件相关功能绘制泰森多边形，并以此为基础建立聚晶CBN微晶结构模型。接着补充工件模型，完成单颗磨粒磨削仿真。在后处理阶段，导出磨粒在受到最大载荷时内部的应力分布情况，以及微晶颗粒表面所受的拉力载荷，根据强度准则预测将会发生磨损的区域并将之删除。最后，将更新后的磨粒重新代入仿真过程中，重复磨削仿真来获得聚晶CBN磨粒在连续磨削过程中的磨损演变，进而研究磨损规律和控制策略。
一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，具体步骤如下：
步骤一：绘制泰森多边形并建立聚晶CBN磨粒模型
本发明首先使用数学软件Matlab编写图形绘制程序，在宽为W、高为H的矩形中随机分布n个点；通过Matlab软件的泰森多边形分割算法在这些点的基础上进行计算，得到分割后的泰森多边形；在此基础上导入Abaqus软件并建立聚晶CBN磨粒的微晶结构模型；
步骤二：建立单颗磨粒磨削仿真模型
在Abaqus软件中建立工件模型；为工件及磨粒模型赋予材料属性、划分网格、完成装配并定义边界条件；完善单颗CBN磨粒磨削仿真模型；
步骤三：磨削过程仿真及后处理
基于步骤二中的仿真模型进行计算，得到磨削过程中的应力分布情况；通过FieldOutput Requests/History Output Requests功能导出所需变量的结果以用于分析；找出磨削力为最大值的时刻中，磨粒内部平面主应力的分布情况，以及微晶颗粒表面压力的分布情况，为下一步磨粒磨损的预测做准备；
步骤四：磨粒磨损预测与轮廓更新
根据聚晶CBN磨粒的磨损特征可将其磨损行为分为切削刃处的机械磨损与微破碎、沿晶裂纹扩展和穿晶断裂三种。根据最小平面主应力(抗压强度)预测切削刃的机械磨损和微破碎；根据最大平面主应力(抗拉强度)预测穿晶断裂；根据微晶颗粒表面所受拉力(粘结强度)预测沿晶裂纹扩展。
步骤五：单颗磨粒磨削模型更新
在新的磨削行程前，需要对模型做出局部调整以保证磨削用量不变与仿真的顺利进行。
步骤六：磨损规律及控制策略分析
完成模型调整后，返回步骤三继续进行磨削仿真。通过重复这一过程，可以获得聚晶CBN磨粒在连续磨削条件下的磨损演变过程。在此基础上，可以对聚晶CBN磨粒的磨损规律和控制策略展开研究。
本发明提出了一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法。若不采用泰森多边形分割法，则磨粒模型将不存在微观结构，成为一种均质材料。通过赋予材料属性可以将其作为大块单晶CBN磨粒，并以本发明提出的单颗磨粒磨削模型为基础研究单晶CBN磨粒的磨削性能与磨损规律。在磨损预测步骤中，若采用软件提供的失效准则使磨粒在仿真过程中自动发生磨损，而非在一个行程后根据其应力状态预测磨损区域，会导致在仿真过程中，由于表层的单元格失效，用于接触设置所定义的各个微晶颗粒的表面遭到破坏，而不完整的微晶颗粒表面则无法确保各项接触条件的效果不变，甚至会导致仿真计算在中途报错，因此并不适用于本发明提出的聚晶CBN磨粒磨损演变仿真计算与预测。综上所述，通过这种基于泰森多边形分割法的聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，可以反映出聚晶CBN磨粒在磨削过程中的磨削表现及磨损演变过程，为研究其磨损规律和控制策略提供理论基础。
本发明提出一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，具有以下优点：
1.使用二维仿真计算单颗聚晶CBN磨粒的磨削过程以简化计算；
2.利用泰森多边形分割法模拟聚晶CBN磨粒内部的微晶结构；
3.计算磨削过程中聚晶CBN磨粒的内应力分布，预测磨粒将发生破碎的区域，并研究其磨损规律及控制策略。
附图说明
图1本发明的仿真方法流程图；
图2泰森多边形分割图；
图3基于泰森多边形分割法的聚晶CBN磨粒模型；
图4单颗磨粒磨削过程原理图；
图5工件模型(切削区域是长为Ic、高为agmax的三角形区域)；
图6工件及聚晶CBN磨粒网格划分；
图7模型边界条件设置；
图8磨削仿真结果；
图9基于最小平面主应力的机械磨损和微破碎的预测；
图10基于微晶颗粒表面所受拉力的沿晶裂纹扩展预测；
图11基于最大平面主应力的穿晶断裂预测；
图12聚晶CBN磨粒的磨损演变过程。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
根据图1中的仿真方法流程图，从绘制泰森多边形并建立聚晶CBN磨粒模型、建立单颗磨粒磨削仿真模型、磨削过程仿真及后处理、磨粒磨损预测与轮廓更新、单颗磨粒磨削模型更新、磨损规律及控制策略分析这六个方面对本发明进行详细阐述。
所述仿真模型为二维仿真模型；所述磨粒为通过感应钎焊技术实现与钎料冶金化学结合后的聚晶CBN磨粒；所述磨粒磨损预测为基于有限元仿真结果，根据应力与材料强度的关系来进行的磨损区域预测方法；所述磨削力等参数为通过有限元仿真得到。
实施例1
一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，具体实施步骤如下：
步骤一：绘制泰森多边形并建立聚晶CBN磨粒模型
首先使用数学软件(Matlab)编写图形绘制程序，在宽为W、高为H的矩形中随机分布个数为Num个点；通过Matlab软件中的泰森多边形分割算法(Voronoi)在这些点的基础上进行计算，得到分割后的泰森多边形用于模拟聚晶CBN磨粒内部的微晶结构，如图2所示。所建立的聚晶CBN磨粒模型为边长0.01mm的正六边形。为了简化仿真模型、节省不必要的计算量，仅对磨粒左下方切削刃区域的微晶颗粒进行单独设置，其余部分忽略微晶结构，如图3所示。因此在本实施例中，矩形的W为0.0087mm，H为0.015mm，Num为30。具体步骤如下：
1.通过编写Matlab程序，划分泰森多边形。运行程序，得到生成的泰森多边形如图2所示。具体的Matlab程序如下：
Figure BDA0001656286780000071
Figure BDA0001656286780000081
Figure BDA0001656286780000091
Figure BDA0001656286780000101
Figure BDA0001656286780000111
2.分割后的泰森多边形的点、边信息都将保存在Matlab软件的工作空间中，整理这些数据，通过有限元仿真软件(Ansys-Mechanical APDL)生成实体模型输出格式(Iges)文件。
3.通过Abaqus/CAE 6.14-4软件中的File＞Import＞sketch功能导入步骤一中生成的Iges文件，并保存草图作为建模依据。根据草图分别建立微晶CBN颗粒模型，如图3中绿色区域(即如图3左下部的标注数字的区域)。为了减少计算量，本实施例仅对靠近切削刃区域的微晶颗粒进行单独分析，因此仅对编号1-9的微晶颗粒分别建立独立的实体模型。以余下的区域为基础补齐正六边形聚晶CBN磨粒模型，建立图3中灰色区域(标注数字为10)。
4.在Interaction模块中，通过Interaction＞Properties＞Create功能定义微晶颗粒间的接触性质，禁止接触面发生切向滑移和法向分离以固定磨粒内部微晶颗粒的相对位置。再通过Interaction＞Create定义接触对。
步骤二：建立单颗磨粒磨削仿真模型
在Abaqus软件中建立单颗CBN磨粒磨削仿真模型，并赋予相应的材料属性。为工件及磨粒模型划分网格、完成装配并定义边界条件。具体步骤如下：
1.建立单颗磨粒磨削仿真模型。根据单颗磨粒磨削原理，磨粒在一次行程中切削的区域如图4中所示。对于单颗磨粒而言，最大切削深度agmax和切削区弧长lc与磨削参数有关：
Figure BDA0001656286780000121
Figure BDA0001656286780000122
在本实施例中所采用的磨削参数如表1所示：
表1本实施例采用的磨削参数
Figure BDA0001656286780000131
据此可以计算出agmax＝0.009mm，lc＝2mm。为了避免不必要的计算量，将lc缩短至0.036mm。在仿真过程中，将单颗磨粒的圆周运动转变为平面磨削过程，因此切削区域变成长为Ic高为agmax的三角形区域，如图5所示。工件采用GH4169镍基高温合金材料。CBN与GH4169的材料性能参数如表2所示：
表2 CBN磨粒与GH4169镍基高温合金材料性能参数
Figure BDA0001656286780000132
2.划分网格。在Mesh模块中，通过Seed＞Edge功能为工件及磨粒布种。在工件切削区域边界上以O.05μm为间隔布种，在磨粒微晶颗粒边界上以0.1μm为间隔布种。通过Mesh＞Controls功能设置工件与磨粒网格形状分别为Quad-dominated和Tri。通过Mesh＞ElementType功能设置工件与磨粒网格类型分别为CPE4RT和CPE3T。通过Mesh＞Part功能分别划分网格，共得到节点45558个，单元53795个。其中，为了方便后续磨粒轮廓更新，通过Mesh＞Create Mesh Part功能为微晶颗粒1-9创建网格部件。
3.完成装配。在Assembly模块中，通过Instance＞Create功能分别载入工件、磨粒的部件，通过Instance＞Translate/Rotate功能按图6所示位置关系完成装配。其中，磨粒左下角顶点距离工件0.003mm用于加速，这是为了避免起始时因速度突变而引起的误差。
4.定义分析步。在Step模块中，通过Step＞Create功能新建Dynamic/Explicit分析步，定义仿真总时间为3.5×10-7s。通过Output＞Field Output Requests/HistoryOutput Requests功能选择需要的输出变量。
5.定义工件与磨粒的接触。在Interaction模块，通过Interaction＞Properties＞Create功能定义各个磨粒与工件的接触性质为法向可分离、切向罚摩擦，摩擦系数为0.3。再通过Interaction＞Create定义各个微晶颗粒与工件的接触对。
6.定义边界条件。如图7所示，为了避免误差，固定磨粒，工件在0.5×10-7s内加速到120m/s，而后以恒定的速度向磨粒方向移动。通过Load模块中Load＞Create功能定义固定和运动条件，再通过Predefined Field＞Create功能定义初始温度为293K。
步骤三：磨削过程仿真及后处理
基于步骤二中的仿真模型，在Job模块中新建任务，提交计算后可以得到仿真结果。在Visualization模块对仿真结果进行分析。磨削过程中某一时刻的应力分布如图8所示。通过Field Output Requests/History Output Requests功能也可以导出磨削力、能量等变量的结果以用于分析。通过比较磨削力的变化过程，可以找出磨粒在受到最大载荷时，内部平面主应力的分布情况，以及微晶颗粒表面压力的分布情况，为下一步磨粒磨损的预测做准备。
步骤四：磨粒磨损预测与轮廓更新
根据聚晶CBN磨粒的磨损特征可将其磨损行为分为切削刃处的机械磨损和微破碎、沿晶裂纹扩展和穿晶断裂三种。具体的预测方法如下：
1.切削刃处的机械磨损和微破碎的预测：
依据强度准则，当单元格所受压缩应力超过其抗压强度时，则判定单元格失效。在本实施例中则通过最小平面主应力的大小来表示单元格受到的压缩载荷。图9展示了最大磨削载荷下，磨粒内部最小平面主应力的分布情况。其中，超过其抗压强度(2500MPa)的区域在图中显示为黑色，代表由于过高的压缩载荷而发生机械磨损和微破碎的区域。
2.沿晶裂纹扩展的预测：
将微晶颗粒表面一层视为粘结剂层，微晶颗粒之间的接触即为粘结剂层的接触。在微晶颗粒表面设置路径并导出正压力曲线，则其表面受到的拉力(负值)大小若超过粘结强度(450MPa)则判定为产生裂纹，如图10中灰色区域(图中旁边标注″星号″)。在轮廓更新步骤中，仅删除灰色区域位于磨粒表面一层的单元格，通过使该区域不再与其他微晶颗粒的表面接触来模拟粘结失效、沿晶裂纹扩展的情况。
3.穿晶断裂的预测：
依据强度准则，在粘结剂层已产生失效、微晶颗粒内部的最大平面主应力(拉伸应力)超过抗拉强度(700MPa)时，判定该区域失效。如图11所示，微晶颗粒1由于磨损而产生应力集中，又因为拉伸应力过大而发生穿晶断裂。
依据上述方法可以得到磨粒在单次磨削后发生磨损的区域。删除这部分的单元格以实现磨粒轮廓的更新。
步骤五：单颗磨粒磨削模型更新
在新的磨削行程前，需要对模型做出部分调整以保证磨削用量不变与仿真的顺利进行。例如，在磨粒轮廓更新后，所删除区域原本的表面定义会被破坏，需要对微晶颗粒的表面进行修补；磨削刃处发生磨损后，磨粒的实际切深可能会减小，需要调整磨粒位置以保证每次行程中的切削深度不变。
步骤六：磨损规律及控制策略分析
完成模型调整后，返回步骤三继续进行磨削仿真。通过重复这一过程，可以获得聚晶CBN磨粒在连续磨削条件下的磨损演变过程，如图12。在此基础上，通过改变磨削用量，可以获得聚晶CBN磨粒在不同磨削参数下的磨损过程差异，并依此对其磨损规律进行研究。结合计算得到的磨削力、磨削热等数据，也可以对聚晶CBN磨粒的磨削表现做出评价，进而探寻其磨损控制的方法。

Claims (1)

1.一种聚晶CBN磨粒磨损演变的仿真计算与预测方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤一：绘制泰森多边形并建立聚晶CBN磨粒模型
使用数学软件Matlab编写图形绘制程序，在宽为W、高为H的矩形中随机分布n个点；通过Matlab软件的泰森多边形分割算法在这些点的基础上进行计算，得到分割后的泰森多边形；在此基础上导入Abaqus软件并建立聚晶CBN磨粒的微晶结构模型；
步骤二：建立单颗磨粒磨削仿真模型
在 Abaqus 软件中建立工件模型；为工件及磨粒模型赋予材料属性、划分网格、完成装配并定义边界条件；完善单颗 CBN 磨粒磨削仿真模型； 所述的建立单颗磨粒磨削仿真模型，包括：1)对聚晶CBN磨粒模型进行完善，使其形状为正六边形；2)绘制工件模型，使切削区为长为lc、高为agmax的三角形；
所述的lc、agmax通过以下公式获得：
Figure FDA0003707148870000011
Figure FDA0003707148870000012
其中，vw为进给速度、vs为砂轮速度、ap为切深、ds为砂轮直径；
步骤三：磨削过程仿真及后处理
基于步骤二中的单颗CBN磨粒磨削仿真模型进行计算，得到磨削过程中的应力分布；通过Field Output Requests/History Output Requests功能导出所需变量的结果以用于分析；找出磨削力为最大值时，磨粒内部平面主应力的分布情况，以及微晶颗粒表面压力的分布情况，为下一步磨粒磨损的预测做准备；
步骤四：磨粒磨损预测与轮廓更新
根据聚晶CBN磨粒的磨损特征，将其磨损行为分为切削刃处的机械磨损和微破碎、沿晶裂纹扩展和穿晶断裂三种；1)根据最小平面主应力与抗压强度的关系预测切削刃的机械磨损和微破碎；2)根据最大平面主应力与抗拉强度的关系预测穿晶断裂；3)根据微晶颗粒表面所受拉力与粘结强度的关系预测沿晶裂纹扩展；
依据强度准则预测磨粒的磨损区域，并将其删除，得到新的磨粒轮廓；
步骤五：单颗磨粒磨削模型更新
在新的磨削行程前，对模型做出部分调整以保证磨削用量不变与仿真的顺利进行；
所述的对模型做出部分调整是指在磨粒轮廓更新后，所删除区域原本的表面定义被破坏时，对微晶颗粒的表面进行修补；磨削刃处发生磨损后，磨粒的实际切深减小时，需要调整磨粒位置以保证每次行程中的切削深度不变
步骤六：磨损规律及控制策略分析
完成模型调整后，返回步骤三继续进行磨削仿真；通过重复这一过程，可以获得聚晶CBN磨粒在连续磨削条件下的磨损演变过程。
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