CN111008493A - 一种砂轮磨削的仿真方法 - Google Patents

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本发明一种砂轮磨削的仿真方法，属于砂轮磨削仿真领域；通过在ABAQUS有限元软件中建立接近实际加工状况的仿真砂轮模型，所述仿真砂轮模型包括二维圆形结构和三角形仿真磨粒，二维圆形结构的半径为R，若干所述磨粒沿周向均布于所述圆形结构的外缘上，所述磨粒露出于所述圆形结构外缘的部分为三角形仿真磨粒，设定各参数值；再依次设置分析步、作用关系、载荷、划分网格；本发明能够实现实际加工的进给速度、砂轮转速及磨粒随转动的仿真，同时提高了磨削仿真分析的计算精度，使得误差控制在20％以内，此方法为利用有限元软件研究砂轮与工件的磨削过程提供了有力参考。

Description

一种砂轮磨削的仿真方法
技术领域
本发明属于砂轮磨削仿真领域，具体涉及一种砂轮磨削的仿真方法。
背景技术
在磨削加工过程中需要对磨削力进行预测，因此需要在加工前进行磨削仿真，通过仿真过程得到磨削力的变化规律，然后对实际加工的参数选择进行指导。在磨削仿真中的砂轮建模为关键因素，直接影响仿真的真实性和仿真误差。
论文《A predictive model of subsurface damage and material removalvolume for grinding of brittle materials considering single grit micro-geometry》，作者是Wenyang Liu，记载了磨削仿真采用单颗磨粒单向一维磨削仿真为主，未考虑实际加工过程中砂轮的旋转，导致此方法无法准确仿真出磨粒随砂轮转动时与工件接触角度的变化，并且没有有效区分砂轮转速和进给速度。在砂轮实际磨削加工过程中，磨粒并非以单颗磨粒单一方向加工，而是随砂轮转动，此时磨粒与工件接触角度发生变化，且砂轮转速与进给速度对砂轮所受磨削力、加工质量的效果也会有影响。
因此有必要采取一种新的砂轮磨削仿真方法，对实际加工中砂轮转速与进给速度进行区分模拟仿真，并对实际加工过程中砂轮磨粒与工件接触角度的改变进行仿真分析，对指导工程实际具有重要意义。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种砂轮磨削的仿真方法，目的在于提供一种接近实际加工的仿真方法，考虑加工过程中磨粒与工件接触角度发生变化，以及砂轮转速与进给速度对磨削力造成不同影响的砂轮磨削；通过在ABAQUS有限元软件中建立接近实际加工状况的仿真砂轮模型，仿真出砂轮转速、进给速度和磨削深度，从而得到这三种不同磨削参数对砂轮磨削的影响，对实际加工的参数选择进行指导，为选择最佳的加工参数和最大程度上提高加工效率提供帮助。
本发明的技术方案是：一种砂轮磨削的仿真方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：首先选定实际砂轮型号，进而确定实际砂轮磨粒尺寸量级；然后根据实际磨粒尺寸设计仿真砂轮模型和工件基体：所述磨粒为二维三角形结构，其高度为H；所述仿真砂轮模型包括二维圆形结构和三角形仿真磨粒，二维圆形结构的半径为R，若干所述磨粒沿周向均布于所述圆形结构的外缘上，所述磨粒露出于所述圆形结构外缘的部分为三角形仿真磨粒，所述仿真磨粒的高度为h，其中R＝5h，h＝1/2H；
所述工件基体为二维长方形结构，其长度为2R、宽度为1/2R；
步骤二：依据步骤一所得尺寸，在ABAQUS有限元软件中建立仿真砂轮模型和工件基体模型，并将仿真砂轮和工件基体的材质设定为相同的金属材质；
步骤三：在ABAQUS有限元软件中将“分析步”设定为“动力显式分析步”，将所述仿真砂轮的输出参考点与载荷施加点设置为同一点，然后再将所述仿真砂轮所受切向力与法向力随时间变化的值设定为输出参考点的输出变量；
步骤四：在ABAQUS有限元软件中设定边界条件：所述工件基体的切削深度设定为a，将所述工件基体和仿真砂轮沿仿真砂轮的水平进给方向并列设置，所述工件基体位于仿真砂轮的进给一侧，将其上表面与所述仿真砂轮最低点之间的竖直方向距离调整为a，下表面与所述仿真砂轮最低点之间的竖直方向距离调整为1/2R-a；
然后，设定所述仿真砂轮转速及水平进给速度，将垂直于进给速度方向的速度设定为0，限制该方向的位移；
步骤五：在ABAQUS有限元软件中对所述仿真砂轮进行刚体耦合，并将经过刚体耦合后的仿真砂轮的参考点设定在仿真砂轮的圆心，此参考点上的转速及水平进给速度即为所述仿真砂轮转速及水平进给速度的设定值；再对所述工件基体进行定位，使其不因仿真砂轮的磨力产生位移；
步骤六：在ABAQUS有限元软件中对所述仿真砂轮与工件基体进行网格划分，工件基体的网格尺寸为所述仿真磨粒高度的1％；
步骤七：在ABAQUS有限元软件中设定新的计算环境，然后提交所述仿真砂轮模型和工件基体模型，进行仿真磨削。
本发明的进一步技术方案是：步骤六中所述工件基体的网格类型选为正方形网格。
本发明的进一步技术方案是：步骤六中所述仿真砂轮的网格类型选用正方形或三角形。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明是基于ABAQUS有限元软件和多颗磨粒均匀分布的二维砂轮仿真方法，对真实磨削工况进行近似仿真的磨削仿真方法，采用圆形及其周向均布多个磨粒的仿真砂轮模型结构，并对仿真砂轮模型和工件基体模型的各参数进行限定，能够实现实际加工的进给速度、砂轮转速及磨粒随转动的仿真，同时提高了磨削仿真分析的计算精度，使得误差控制在20％以内，此方法为利用有限元软件研究砂轮与工件的磨削过程提供了有力参考。
附图说明
图1为本发明实施例提供的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的多颗磨粒周向均匀分布的仿真砂轮模型；
图3为本发明实施例提供的工件基体模型；
图4为本发明实施例提供的进行加载后的仿真模型；
图5为本发明实施例提供的从右至左仿真过程展示。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面以某一型号砂轮加工为例，具体说明本发明的实现过程。砂轮粒度为120#，磨粒高度尺寸125-106um。但本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参照图1-5，本发明提供的一种砂轮磨削仿真新方法包括如下步骤：
步骤一：仿真砂轮尺寸确定：将实际磨粒高度尺寸取整，得出三角形磨粒的高度值，该实施例中高度取值为100um；所述仿真砂轮模型包括二维圆形结构和三角形仿真磨粒，二维圆形结构的半径为R，若干所述三角形磨粒沿周向均布于所述圆形结构的外缘上，所述三角形磨粒露出于所述圆形结构外缘的部分为三角形仿真磨粒，所述仿真磨粒的高度为h，其中R＝5h＝250um，h＝50um；
步骤二：工件基体尺寸确定：实际加工过程中，仿真砂轮与工件基体接触弧长极小，因此可将此段接触弧长近似为直线段；工件基体为二维长方形结构，其长度为仿真砂轮半径的两倍即500um、宽为仿真砂轮半径的一半即125um。
步骤三：在ABAQUS有限元软件中模型建模：由步骤一和二确定的尺寸，在ABAQUS中建立模型，并将仿真砂轮和工件基体的材质设定为相同的金属材质；
根据仿真切深需要，调整仿真砂轮与工件基体相对位置，将仿真砂轮旋转调整，使其某一仿真磨粒的顶角指向正下方，并将仿真砂轮与仿真基体进行分离，避免线条干涉；
以下步骤均在ABAQUS有限元软件中操作；
步骤四：参数设置：在ABAQUS有限元软件中依次设置分析步、作用关系、载荷、划分网格；
在设置分析步操作中，首先创建分析步，分析步类型选择动力显式分析步；创建场输出，设置应力中应力分量和不变量及等效应力，应变中塑性应变分量、等效塑性应变，位移/速度/加速度中平移和转动、平移和速度、平移和加速度，作用力/反作用力中反作用力和力矩，接触中接触应力，体积/厚度/坐标中单元中的材料体积分数，并设置状态；
边界条件设定：所述工件基体的切削深度设定为a，将所述工件基体和仿真砂轮沿仿真砂轮的水平进给方向并列设置，所述工件基体位于仿真砂轮的进给一侧，将其上表面与所述仿真砂轮最低点之间的竖直方向距离调整为a，下表面与所述仿真砂轮最低点之间的竖直方向距离调整为1/2R-a；
创建历史输出，设置作用力/与反作用力；在设置相互作用中，首先创建相互作用，选择表面与表面接触，将所述仿真砂轮外缘设定为第一接触面，将工件基体设定为第二接触面；接触属性选择罚函数，并设定切向、法向行为；
在约束管理器设置中将仿真砂轮耦合为完整刚体；在设置载荷中，在边界条件管理器中将经过刚体耦合后的仿真砂轮圆心设置为参考点；设置仿真砂轮的转速及进给速度，参考点上的转速及水平进给速度即为所述仿真砂轮转速及水平进给速度的设定值；此项应注意，需根据所仿真的实际工况进行相应的参数设置，单位需完全统一，并将工件基体的非接触区域设置约束，使其不因仿真砂轮的磨力或其他外力产生位移；
在设置网格中，工件基体被加工部分的小网格设置0.0005mm，其他部分设置较大网格为0.05mm，砂轮设置网格0.05mm。最后创建作业并提交。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种砂轮磨削的仿真方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：首先选定实际砂轮型号，进而确定实际砂轮磨粒尺寸量级；然后根据实际磨粒尺寸设计仿真砂轮模型和工件基体：所述磨粒为二维三角形结构，其高度为H；所述仿真砂轮模型包括二维圆形结构和三角形仿真磨粒，二维圆形结构的半径为R，若干所述磨粒沿周向均布于所述圆形结构的外缘上，所述磨粒露出于所述圆形结构外缘的部分为三角形仿真磨粒，所述仿真磨粒的高度为h，其中R＝5h，h＝1/2H；
所述工件基体为二维长方形结构，其长度为2R、宽度为1/2R；
步骤二：依据步骤一所得尺寸，在ABAQUS有限元软件中建立仿真砂轮模型和工件基体模型，并将仿真砂轮和工件基体的材质设定为相同的金属材质；
步骤三：在ABAQUS有限元软件中将“分析步”设定为“动力显式分析步”，将所述仿真砂轮的输出参考点与载荷施加点设置为同一点，然后再将所述仿真砂轮所受切向力与法向力随时间变化的值设定为输出参考点的输出变量；
步骤四：在ABAQUS有限元软件中设定边界条件：所述工件基体的切削深度设定为a，将所述工件基体和仿真砂轮沿仿真砂轮的水平进给方向并列设置，所述工件基体位于仿真砂轮的进给一侧，将其上表面与所述仿真砂轮最低点之间的竖直方向距离调整为a，下表面与所述仿真砂轮最低点之间的竖直方向距离调整为1/2R-a；
然后，设定所述仿真砂轮转速及水平进给速度，将垂直于进给速度方向的速度设定为0，限制该方向的位移；
步骤五：在ABAQUS有限元软件中对所述仿真砂轮进行刚体耦合，并将经过刚体耦合后的仿真砂轮圆心设置为参考点，此参考点上的转速及水平进给速度即为所述仿真砂轮转速及水平进给速度的设定值；再对所述工件基体进行定位，使其不因仿真砂轮的磨力产生位移；
步骤六：在ABAQUS有限元软件中对所述仿真砂轮与工件基体进行网格划分，工件基体的网格尺寸为所述仿真磨粒高度的1％；
步骤七：在ABAQUS有限元软件中设定新的计算环境，然后提交所述仿真砂轮模型和工件基体模型，进行仿真磨削。
2.根据权利要求1所述砂轮磨削的仿真方法，其特征在于：步骤六中所述工件基体的网格类型选为正方形网格。
3.根据权利要求1所述砂轮磨削的仿真方法，其特征在于：步骤六中所述仿真砂轮的网格类型选用正方形或三角形。
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