3、外援磨削加工后殘余應(yīng)力的計(jì)算模型

3.1 數(shù)字模型設(shè)計(jì)

數(shù)字模型主要用來模擬外圓精磨工藝中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，如圖5所示。所采用的方法并未考慮切屑去除機(jī)理。將砂輪假設(shè)為隨著工件速度Vw沿著表面移動(dòng)的熱源。

圖五：數(shù)字模型：熱載荷和界面狀況

在砂輪的單圈加工過程中，沿表面的磨削條件在切削、進(jìn)給兩個(gè)方向上保持常量，因此可以僅考慮柱工件的一部分即可。利用SYSWELD軟件對(duì)柱件的第8個(gè)2D平面應(yīng)變模型進(jìn)行處理。在建立該2D模型時(shí)還要考慮不同溫度條件下的材料屬性。

工件的初始溫度T（t＝0）=20℃。在上表面和側(cè)面，用熱對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)hconv（W.K-1.mm-2）來表示熱對(duì)流。底面的熱損失假定為0。熱邊界條件如圖五所示。

3.2 熱源求值

熱源長(zhǎng)度和砂輪-工件之間的接觸長(zhǎng)度相等。

進(jìn)入工件的熱通量計(jì)算如下：

圖六：熱源計(jì)算

公式1為磨削過程中產(chǎn)生的總能量。Ft為磨削切向力，Vg為工件-砂輪滑動(dòng)速度。此外，還觀察到在磨削中所有產(chǎn)生的能量都被轉(zhuǎn)化為熱能。砂輪-工件間的熱通量總量qT（W.mm-2）和公式4的滑動(dòng)速度以及公式2中單位接觸面積ft（N.mm-2）上的切向磨削力成比例關(guān)系。

最后，工件qw（W/mm-2）上的熱通量密度計(jì)算如下： 其中， εw是轉(zhuǎn)化為工件上熱量的總能量的一部分。在CBN砂輪配用油潤滑加工中，εw約為20%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在外圓精磨中，熱通量形狀為準(zhǔn)矩形。

3.3 機(jī)械模型裝置

機(jī)械計(jì)算考慮了熱彈塑性機(jī)械性能；求得弱耦合熱機(jī)械計(jì)算。砂輪的影響模擬為速度為Vw沿著表面移動(dòng)的正常壓力。外加荷載的量級(jí)由接觸區(qū)的正常磨削力求得。通過X、Y方向上對(duì)位移的限制求得工件底面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件。

3.4 熱學(xué)結(jié)果

圖七為模擬的熱學(xué)結(jié)果，條件參數(shù)為：Vw=7m.mn-1，Vs=17m.s-1，fz=3mm.tr-1，ap=8μm。

圖七：不同深度條件下沿切削方向的溫度輪廓

觀察發(fā)現(xiàn)最高峰值溫度接近Ac1=750℃（奧氏體化初始溫度）。但達(dá)到一定深度后，溫度超過了HSS（450-600℃）的回火溫度。此外，由于冷卻速率過高，磨削表面出現(xiàn)了高度集中的熱梯度（≈300μm）。

圖8給出了Jaeger分析策略對(duì)比，結(jié)果顯示一致性良好；從而證實(shí)了數(shù)字模型。圖中的差異主要是由于FE模型的熱對(duì)流引起的熱交換所致，而Jaeger模型則沒有考慮該因素。

圖八：不同深度條件下數(shù)值模擬溫度和分析計(jì)算溫度

工件速度變化的影響如圖9所示。

圖九：Vw對(duì)磨削表面下的溫度輪廓的影響