基于Deform-3D的针对不同形状磨粒的磨钻仿真研究

秦多， 张平宽， 孙天华， 闫兴民

（太原科技大学，太原 030024）

0 引言

随着科技的进步，各领域对产品的质量都在不断地提高，尤其是高精尖行业，例如航空航天设备、精密仪器等。在某些零部件当中，微小孔的加工精度决定了产品的质量。对于微小孔的加工方法，各国都进行了充分的研究，新的加工方法也层出不穷。例如瑞士的Posaluxsa公司研制出的多工位钻床（CNC三工位钻床）；美国National Jet研制出的50 000 r/min的微小孔钻床；荷兰Philips研究所用微细电火花技术加工出了直径为φ30μm的微孔等等。我国在微小孔加工的研究上，针对难加工材料的微小孔加工和容易出现的问题，太原科技大学的张平宽教授、厉鹏、孙王路等［1］创意性地提出了一种新的加工方法：微小孔磨钻加工技术，并且研究出了其基本理论，也就是利用磨削的原理，将刀具看成由无数个磨粒组成的磨具，在给予一定的转速和进给量后，来加工材料。关于微小孔的磨钻加工技术，不管是国外还是国内都是一片空白，还处在理论上的研究阶段，刀具的研制还不成熟。孙王路等对磨具的结构进行了初步的研究，磨具的材料使用立方氮化硼（CBN）。本文针对这一情况，对刀具的磨粒进行了研究，进一步完善这一理论。

1 CBN超硬磨具磨钻小孔成形机理

钻孔加工时的主切削刃是钻头端面的切削刃，刀具旋转使切削刃切除材料并且轴向进给，完成孔的加工；磨钻时，其主要切除金属的磨粒也是处于磨钻头端面的磨粒。磨钻钻头端面上排列着符合一定大小和规律的磨粒，在制造磨钻头时，需要保证从磨钻头端部中心到边缘都有磨粒排列，即当把分布在磨钻头端部的磨粒按各自的半径转到同一半径线上时，磨粒应填满半径线，不留空位，实际上形成一条类似于单刃钻钻刃，从而实现孔的磨钻加工。

由于磨钻钻头中心处与工件材料没有产生相对运动，相对速度为零，理论上不能够切除材料。实际上，如果位于磨钻头中心处的是粘结剂，而不是磨粒，那么位于中心点附近，或者紧挨着中心点处就会有磨粒，这样与磨具中心点处接触的材料只要稍微被挤压，偏离中心，然后就会被中心周围的磨粒切除；倘若超硬磨粒恰好位于磨钻头的中心点处，由于磨粒硬度远高于被加工材料，切和被切材料没有亲和力，摩擦因数小，那么此时中心处的磨粒更易把中心处的材料挤压偏离，最后切除材料，完成加工。

磨具由含立方氮化硼（CBN）颗粒的材料加工而成，磨具的端面有许多凸起的磨粒，磨粒为锥形，加工时刀具高速旋转，实现磨粒与工件之间的高速相对运动，完成切削加工［2］。

图1 磨粒与工件有限元模型

我们以单颗磨粒为例做一下具体阐述：单颗磨粒在磨钻过程中与工件的作用情况，图1就是磨粒与工件的位置。

磨粒自身没有转速，由磨具带动相对于工件做单方向的切割运动。开始时磨粒与工件相对静止，即磨具还未开始转动；随后磨粒与工件发生了接触，此时的工件发生了变形，即可以恢复的弹性变形；磨粒继续运动，当接触处的材料达到它的断裂值时进而产生磨屑；随着磨粒继续运动，磨屑不断地产生，此时发生的是不可恢复的塑性变形。

2 磨具结构的优化

Deform-3D是一套基于有限元分析方法的工艺仿真系统，可以分析多种加工工艺，例如模锻、板料冲压、挤压、轧制等等。Deform-3D专门提供了模拟切削、钻削的平台，有专门的入口进行过程设定。

首先在Pro-E5.0中建立刀具的三维模型。钻尖118°，长 5 mm，直径0.5 mm。磨具的磨粒有不同的锥尖角、密度［3］。图 2显示的是磨钻的端部。

根据Deform-3D的仿真步骤，导入刀具模型、设定刀具、划分刀具网格、工件的设置、划分工件网格、设置模拟条件、检查设置结果、退出前处理。其中在划分刀具的网格时，Deform采用AMG（自适应网格划分）技术来划分网格并且刀具采用绝对类型，磨钻网格数为35000，Size Ration为2；工件划分网格，网格数为35000，Size Ration为1。网格划分这么细密，其目的在于提高实验数据的精确性。工件接触属性：摩擦因数0.5和导热系数45 W/（m·K）［4］。

在仿真中选用的被加工材料为直径5mm、厚度为1mm的钛合金薄板，磨具基体为CBN。由于在加工过程中产生高温，结合剂容易软化而导致磨粒脱落，因此我们使用金属结合剂［5］。磨粒为不同的形状和不同的排列方式，磨具转速为30 000 r/min。

2.1 不同锥尖角的磨粒磨具的仿真结果

仿真结果如表1、表2所示。

2.2 不同密度的磨粒磨具的仿真结果

仿真结果如表3、表4所示。

表1 被加工材料相对于不同锥尖角的磨粒磨具对应的应力、应变和位移

表2 不同锥尖角的磨粒磨具的载荷、扭矩和温度变化范围

表3 被加工材料相对于不同密度的磨粒磨具对应的应力、应变和位移

表4 不同密度的磨粒磨具的载荷、扭矩和温度变化范围［6］

3 结论

所有的仿真实验都是在相同的参数条件下进行，根据得到的实验数据，经分析我们可以得出以下结论：

1）对于不同锥尖角的磨具来说，通过实验数据可以看出：磨具的锥尖角不同时，应力、应变、载荷、扭矩呈规律性变化，先变小再变大，锥尖角为90°时最小；温度和位移的变化范围都不大，锥尖角90°时温度和位移比较小。因此锥尖角为90°时磨具最优。

2）对于不同的磨粒密度的磨具来说，通过实验数据可以看出：应力、应变先逐渐减小再逐渐变大，磨粒间距0.009 mm时应力、应变最小；载荷、扭矩逐渐增大，对磨具的影响越来越大；温度和位移的变化都不大，磨粒间距0.009 mm时温度和位移比较小。综合考虑，磨粒间距0.009 mm 时磨具最优［7］。

［1］ 厉鹏，张平宽，孙王路.CBN超硬磨具磨钻钛合金微小孔加工研究［J］.机械工程与自动化，2013（5）：101-102.

［2］ 黄辉，林思煌，徐西鹏.单颗金刚石磨粒磨削玻璃的磨削力研究［J］.中国机械工程，2010（11）：1278-1282.

［3］ 陈臣，王阳俊.颗粒增强铝基复合材料小直径孔磨削加工实验研究［J］.机械工程师，2010（8）：33-34.

［4］ 施志辉，刘刚.应用于加工中心的转削用量确定方法［J］.工具技术，2009，43（7）：61.

［5］ Zeng W M，Li Z C，Xu X P，et al.Experimental investigation of intermittent rotary ultrasonic machining ［J］.Key Engineering Materials，2008，359-360：425-430.

［6］ 王君明，叶人珍，汤漾平，等.单颗磨粒的平面磨削三维动态有限元仿真［J］.金刚石与磨料模具工程，2009（5）：41-45.

［7］ 冯宝富，赵恒华，蔡光起，等.高速单颗磨粒磨削机理的研究［J］.东北大学学报：自然科学版，2002（5）：470-473.