基于ABAQUS的TC11单颗粒砂带磨削过程仿真

孙 杰 曲中兴 张立武



基于ABAQUS的TC11单颗粒砂带磨削过程仿真

孙 杰 曲中兴 张立武

（西安航天动力机械厂，西安 710025）

利用有限元分析软件ABAQUS，针对TC11钛合金开展单颗粒砂带磨削过程仿真，分析不同磨料、磨削深度、磨削速度下的材料去除过程及磨削力的变化规律，进而得出磨削用量对材料去除效率及质量的作用机理，为TC11的砂带磨削参数提供选取依据。

ABAQUS；砂带磨削；TC11；磨削力

1 引言

TC11是一种α+β型两相热强钛合金，不仅具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强的优点，且热导率低、热膨胀系数低，在室温及高温下具有优良的热稳定性和热强性[1]，是航空航天发动机金属件的理想材料，广泛应用于航空发动机叶盘叶片、固体火箭发动机喷管壳体等关键结构件。目前，固体火箭发动机中TC11金属件精加工工艺多采用车削、铣削，仍存在加工效率低、表面粗糙度差、精度不易保证等问题，近年来，砂带磨削以其磨削力小、磨削温度低及磨削效率高等优点，成为一种理想的钛合金加工方法[2]。

目前，TC11材料砂带磨削过程中磨削参数对磨削力和磨削温度的影响机理尚未明确，且后者直接决定了零件的加工精度和加工效率，因此，开展仿真研究是探索TC11材料砂带磨削机理的有效途径。然而，磨粒在砂带基材上的植砂方式主要采用静电植砂技术，磨粒数量多，形状不规则，分布无规律且具有随机性，因此针对整体砂带进行建模难度较大，且仿真精度较差，故TC11的砂带磨削机理更适合通过单颗粒磨削仿真进行研究。

2 TC11单颗粒磨削仿真模型

2.1 TC11材料参数

钛合金TC11可见组织为等轴晶组织[3]，具体性能参数如表1所示。

表1 TC11材料性能参数

2.2 Johnson-cook材料本构模型

目前，Macgregor、Marusich、Zerilli-Armstrong等描述切削变形区内材料变形的本构方程用于描述金属材料的切削变形特性及成屑过程[4]。本文中采用广义虎克定律描述TC11弹性变形阶段，采用Johnson-cook模型描述其塑性变形阶段。Johnson-cook模型是一种将材料应变硬化效应、应变率硬化效应及温度软化效应统一关联的本构模型，可准确描述大应变率下金属材料的应力应变关系[5]。

式中，为Mises流动应力；分别为初始屈服应力、材料应变强化参数、材料应变率强化参数、硬化指数及材料热软化指数；TT分别为材料的熔点温度和室温。其中，均需通过实验确定，根据Chen Ming等开展的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验研究[6]，确定了TC11材料的Johnson-cook本构模型参数，如表2所示。

表2 TC11材料J-C本构模型参数

2.3 几何模型建立

砂带磨削是一个磨粒相对工件进行三维运动的过程，由于仿真中磨料与工件发生接触的时间极短，其进给量可忽略不计，因此建立了二维单颗粒切削模型，将三维问题转化为平面应变问题。工件几何尺寸为1mm×0.6mm，磨粒前角为-20°。为了有效减少非接触区的计算量，采用一阶线性减缩积分单元CPS4R划分网格，如图1所示。工件采用固定约束，磨粒自右向左匀速移动，移动速度即为实际磨削速度，磨粒与工件采用face to face显式接触定义接触对，切向和法向的接触形式分别采用罚函数接触和硬接触。

图1 有限元网格划分

为了防止由于磨粒发生偏转、磨损或断裂而导致仿真结果出现偏差，且磨粒的弹性模量和硬度远高于工件，因此在计算前作两点基本假设：在选取不同磨削深度与磨削速度时，假设磨粒为刚体，在切削过程中不发生变形；在极短的切削时间内，磨料不发生磨损或断裂。

2.4 仿真方案设计

为了使仿真结果更具有代表性，根据钛合金TC11的高硬度、低热导率等特点及国内外各类磨料的研发应用现状，选取氧化铝、锆刚玉、立方氮化硼三种磨料开展仿真，各磨料性能参数见表3；根据刘瑞杰等人对钛合金TC4的砂带磨削研究表明，通常磨粒磨损高度为0.1～0.3mm[7]，由此选取磨削深度分别为0.1mm、0.2mmm、0.3mm；此外，根据常用砂带磨床及磨头的技术规格，选取8～16m/s的砂带转速范围。由此设计仿真方案，因素水平表如表4所示。

表3 各磨料性能参数

表4 仿真因素水平表

各组工艺参数取值如表5所示。

表5 仿真工艺参数

3 仿真结果分析

3.1 成屑机理分析

砂带磨削材料去除过程与砂轮磨削大致相同，按照磨粒与工件表面接触时干涉程度的不同，可以分为滑擦、耕犁和切削三个不同阶段[8]。由于仿真几何建模中，磨粒已切入预计的深度，因此单颗粒仿真描述了磨削过程中耕犁与切削阶段，如图2所示，从等效塑性应变云图可以看出：磨粒在切入工件时，首先对磨粒前方与下方的金属产生挤压作用，接触区域材料应变显著并发生塑性变形；随着磨粒向前移动，塑性变形区材料向前流动，导致磨粒前方表面出现隆起，且磨粒在工件表面耕犁出一道刻线，同时，被磨粒挤压的区域会出现明显的滑移；随着切削的进行，材料在磨粒前方不断堆积，最终在磨粒前刀面的切削作用下发生断裂，进而形成切屑。

3.2 磨料对磨削力的影响

图3a、图3b、图3c分别反映了采用氧化铝、锆刚玉及立方氮化硼三种磨料时砂带磨削过程的磨削力，其中，磨削速度为12m/s，磨削深度为0.15mm。

从图中可看出，在相同磨削参数、三种不同磨料下的磨削力由大到小依次为立方氮化硼、锆刚玉、氧化铝，与理论分析结果吻合。磨料对磨削力和材料去除率的影响与磨粒的磨损程度密切相关，由砂带磨损前后磨粒的显微形貌特征可看出，磨粒的磨损形式主要有磨平磨钝、磨粒脱落、磨粒破碎等[8]，由于不同材料、粒度、植砂方式下磨料的性能不同，因此发生磨损的类型和程度也不同。上述三种磨料中，立方氮化硼质地最硬，在磨削如钛合金的高硬度材料时不易发生断裂，且具有更高的材料去除效率，因此可作为加工TC11的理想磨料；锆刚玉硬度低于立方氮化硼，但材料自锐性好，即磨粒发生断裂后产生会露出新的微晶组织，仍能保持磨粒的锋锐，因此也具有较强的材料去除能力，使用寿命较长；氧化铝磨料自锐性较差[9]，磨粒发生磨损后易出现磨平现象，且磨粒与钛合金极易亲和生成新物质粘附于磨粒上[10]，导致局部磨削力减小，材料去除效率降低，且磨削温度上升，使得工件表面更易发生烧伤。

a 氧化铝磨料

b 锆刚玉磨料

c 立方氮化硼磨料

3.3 磨削深度对磨削力的影响

图4为采用锆刚玉磨料、磨削速度为12m/s、磨削深度分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm时砂带磨削过程应力云图，可看出随着磨削深度的增大，磨粒切削工件时材料的塑性流动和隆起现象越来越明显，从应力的分布状态可看出，磨粒与工件接触区域的最大等效应力值随磨削深度增加而增大，且最大应力区域显著增加，并进一步影响磨削后工件表面的残余应力分布。结合图5所示的磨削力随磨削深度变化曲线，可看出磨削深度是影响砂带磨削过程中磨削力的关键因素，且法向磨削力与切向磨削力的比值变化较小。

a 磨削深度0.1mm

b 磨削深度0.2mm

c 磨削深度0.3mm

由以上分析可看出，磨削深度对工件磨削区域应力分布及磨削力具有重要影响，是关系到工件加工效率及表面质量的重要因素，且磨削深度过大容易导致磨粒磨损加剧，大大缩短砂带的使用寿命，进而增加材料成本。因此，在实际生产过程中，应根据加工效率、表面质量及磨料成本等不同的侧重点，选取适当的磨削深度。

3.4 磨削速度对磨削力的影响

磨削速度即砂带转速，可通过改变电机转速进行调节，是砂带磨削中的重要参数之一。根据常用砂带磨床及磨头的技术规格，分别选取砂带速度为8～16m/s，仿真结果如图6所示，法向磨削力和切向磨削力随磨削速度变化较小，且磨削力比稳定在2.5左右。因此，在不考虑磨粒磨损的前提下，砂带磨削速度对磨削力影响较小。

4 结束语

本文采用有限元软件ABAQUS，针对TC11材料的单颗粒砂带磨削过程开展仿真研究，得出以下结论：

a. 磨削过程中，材料发生显著的塑性变形，并随磨粒的挤压作用不断堆积，最终在磨粒前刀面的切削作用下发生断裂；

b. 仿真结果表明，立方氮化硼砂带具有较高的材料去除率，锆刚玉砂带次之，氧化铝砂带的材料去除效果较差；

c. 磨削深度对磨削区域应力分布影响巨大，且磨削力随磨削深度的增加而显著增大，适当增大磨削深度，可有效提高材料去除效率；

d. 磨削速度在短时间内对单颗粒的磨削力和应力分布影响不大。

以上结论阐明了单颗粒磨削下TC11材料的成屑机理，以及磨削参数对磨削成形过程的影响规律，对于开展磨削试验及实际加工中的参数选取具有指导作用。由于仿真中对磨粒作出了不发生磨损断裂的基本假设，因此，后续可开展TC11钛合金的砂带磨削试验，结合砂带实际磨损情况以及工件成形质量，进一步完善磨削参数的作用规律。

1 曾卫东，周义刚. 冷速对TC11合金β加工显微组织和力学性能的影响[J]. 金属学报，2002，38(12)：1273～1276

2 徐蔡俊，徐九华，傅玉灿，等. 钛合金砂带磨削磨粒磨损研究[J]. 航空制造技术，2008 (16)：74～76，90

3 张雪敏，曹福洋，岳红彦，等. TC11钛合金热变形本构方程的建立[J]. 稀有金属材料与工程，2013，42(5)：937～941

4 刘战强，吴继华，史振宇，等. 金属切削变形本构方程的研究[J]. 工具技术，2008，42(3)：3～9

5 廖熙淘，刘德福，唐进元，等. 负前角磨粒磨削过程磨屑形成的有限元仿真分析[J]. 现代制造工程，2009(4)：36～41，66

6 Chen Ming, Niu Qiulin, An Qinglong, et al. Johnson-cook constitutive equation for titanium alloy TC11[J]. Key Engineering Materials, 2014 (589-590): 140～146

7 刘瑞杰，黄云，黄智等. 基于钛合金砂带磨削的磨削率、表面质量及砂带寿命性能试验研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2010(1)：18～21

8 王维朗. 砂带磨削金属材料的工艺及机理研究[D]. 重庆：重庆大学，2006

9 路勇，黄云. 砂带磨削磨损性能试验研究[J]. 机械科学与技术，2014，33(12)：1865～1868

10 肖贵坚，黄云，黄智等. 基于单因素实验的钛合金砂带磨削砂带寿命研究及分析[J]. 机械设计与制造，2010(8)：175～177

Simulation of Single Abrasive Grain Belt Grinding of TC11 Based on ABAQUS

Sun Jie Qu Zhongxing Zhang Liwu

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025)

The finite element analysis software ABAQUS is used to simulate the process of single grain abrasive belt grinding for TC11 titanium alloy. The law of removal of material and grinding force under different abrasive, grinding depth and grinding speed is analyzed, and the effect of the grinding amount on the removal efficiency and quality of the material is obtained. The basis of selection of belt grinding parameters for TC11 is provided.

ABAQUS；abrasive belt grinding；TC11；grinding force

孙杰（1993），硕士，金属材料成形专业；研究方向：固体火箭发动机金属成型工艺。

2017-11-13