計時鳴,厲志安,蔡東海,金明生,曾晰,李笑
(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室,浙江杭州310014)
在機(jī)械制造業(yè)中,模具工業(yè)被稱之為“工業(yè)之母”,機(jī)械行業(yè)中70%以上零部件的加工與模具相關(guān)[1-3]。為了延長模具的使用壽命,提高其耐磨、耐疲勞性能,往往需要對模具表面進(jìn)行激光強(qiáng)化處理[4],但同時其硬度、耐磨性能的提高也增加了激光強(qiáng)化模具在光整加工階段的難度,因此,提高高硬度、高耐磨模具在光整加工階段的效率具有極其重要的現(xiàn)實意義。
對此,浙江工業(yè)大學(xué)計時鳴教授等人[5-6]提出了一種軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪(Soft-consolidation abrasives pneumatic wheel)加工新方法。
為了解決這種軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪在光整中氣壓砂輪常出現(xiàn)高頻小幅振動的現(xiàn)象,以及進(jìn)一步提高該方法對激光強(qiáng)化模具光整的效率,本研究借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件,進(jìn)行針對芳綸漿粕增強(qiáng)氣壓砂輪基體后氣壓砂輪的模態(tài)以及光整中的接觸應(yīng)力分布特性分析,并對Cr12激光強(qiáng)化曲面模具進(jìn)行光整加工試驗。
軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪光整加工方法利用高強(qiáng)力粘結(jié)劑在柔性氣壓砂輪表面聚集形成磨粒層,使每顆磨粒受力后又可局部微動,通過影響周邊磨粒群的受力狀況而發(fā)生群體效應(yīng),達(dá)到軟性條件下的應(yīng)力集中,以實現(xiàn)高效切削的目的。
軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪主要是由丁苯橡膠(SBR)構(gòu)成的空心半球與磨粒層組成,克服了現(xiàn)有氣囊拋光中采用游離態(tài)磨粒切削能力弱的缺點,其表面的柔性可以通過空心半球內(nèi)部氣壓實時在線控制,并可方便地與機(jī)器人配合使用[7]。
軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪光整系統(tǒng)與氣壓砂輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。
研究軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪光整加工中被加工材料的材料去除量與加工工藝參數(shù)之間關(guān)系時,通常采用的是Preston方程,但針對特定加工環(huán)境下的關(guān)鍵因素,學(xué)者們對該方程式進(jìn)行了很多的修正[8-9]。根據(jù)前期研究,得出了應(yīng)用于軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪的材料去除Preston方程[10]:
圖1 氣壓砂輪光整系統(tǒng)與氣壓砂輪示意圖
式中:MR—被加工工件的材料去除率,K1—被加工工件硬度系數(shù),K2—磨粒硬度系數(shù),K3—磨粒粒徑系數(shù),N—參與工作的有效磨粒數(shù),P—氣壓砂輪接觸壓力,υ—磨粒的切削速率。
對于表面激光強(qiáng)化模具而言,由于強(qiáng)化區(qū)的硬度和耐磨性均有大幅度提高,其拋光難度也隨之有所增加。
根據(jù)式(1)可知,通過改變磨粒硬度和粒徑、壓力P以及切削速率V可以用來改變材料去除量。其中,壓力P由氣壓砂輪基體通過粘結(jié)劑間接為磨粒供力,通過漿粕增強(qiáng)后的氣壓砂輪基體能夠提高壓力P的值。
添加不同含量芳綸漿粕后,氣壓砂輪基體的彈性模量由國標(biāo)GB/T528-2005中規(guī)定的實驗方法得到。拉伸試樣為啞鈴狀結(jié)構(gòu),試驗環(huán)境溫度為23℃,拉伸速率為500 mm/min,每種試樣拉伸3次。
添加不同芳綸漿粕的復(fù)合氣壓砂輪基體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。
圖2 添加不同漿粕氣壓砂輪基體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
如圖2(a~d)所示的曲線依次表示:未添加、添加2.5%、添加3.3%和添加5%芳綸漿粕短纖維的氣壓砂輪基體材料的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線;在圖中分別標(biāo)識了數(shù)據(jù)拾取起點與拾取終點,可知兩點間的曲線近似為直線,求得兩點之間的斜率即為試樣的彈性模量,取平均值得到的數(shù)值結(jié)果如表1所示。
表1 不同含量芳綸漿粕氣壓砂輪的彈性模量
由表1可知,氣壓砂輪基體的彈性模量隨著芳綸漿粕的增加而增加。另外,工件的彈性模量為2.1×106MPa,泊松比為0.3,氣壓砂輪的泊松比μ可由混合率公式求得[11],具體數(shù)值見表1。
氣壓砂輪光整加工有限元模型主要由氣壓砂輪和工件組成,所用的單元類型均為Solid185六面體單元,由于橡膠材料的模量小,變形相對較大,變形過程比較復(fù)雜,在網(wǎng)格劃分時需要利用較小的網(wǎng)格尺寸來保證大變形下的精度,但是過小的網(wǎng)格尺寸會導(dǎo)致求解時間的大幅增加,這里控制氣壓砂輪的網(wǎng)格尺寸為0.001。
由于模具的彈性模量遠(yuǎn)大于氣壓砂輪,故在此可以將其視為剛體,網(wǎng)格可以較為粗大,亦不會影響求解精度,這里控制網(wǎng)格的尺寸為0.002。
本研究對氣壓砂輪的上部邊界全部約束,用Black Lanczos法求解,最終可以得到4種氣壓砂輪各階振型的頻率,氣壓砂輪基體的基頻與纖維含量的關(guān)系如圖3所示。
圖3 氣壓砂輪基體的基頻與纖維含量的關(guān)系
由圖3可知:4種氣壓砂輪第一階模態(tài)和第二階模態(tài)為均對稱模態(tài),具有相同的頻率,振型對稱,振動方式和最大振幅發(fā)生的位置也基本相同,基頻下氣壓砂輪的振型如圖4所示。
圖4 基頻下氣壓砂輪的振型
其次,由于芳綸漿粕短纖維的增強(qiáng)作用,使得氣壓砂輪基體的固有頻率得到了顯著的提高。如添加5%芳綸漿粕的氣壓砂輪,前六階固有頻率分布在370 Hz~710 Hz之間,顯著高于未添加芳綸漿粕的氣壓砂輪的固有頻率。其中,第一階模態(tài)的基頻從145.71 Hz提高至373.79 Hz,升幅達(dá)到156.5%。
因此,提高基頻能有效地提高氣壓砂輪的抗振性。另外,對于其他高階的振型,由于篇幅所限,本研究在此不作分析。
為了研究氣壓砂輪光整中的接觸應(yīng)力分布特性,先建立接觸對,這里采用單面接觸類型,其次設(shè)置氣壓砂輪沿z軸負(fù)方向?qū)ぜM(jìn)行進(jìn)給,進(jìn)給速率為5 mm/s,轉(zhuǎn)速為1200 rpm,氣壓砂輪下壓量為2 mm,進(jìn)動角20°,充氣壓力為50 kPa。
通過提取砂輪接觸表面區(qū)域中沿x軸方向的應(yīng)力值,可以得到接觸區(qū)域的應(yīng)力-位置關(guān)系曲線,如圖5所示。
由圖5(a~d)可知:氣壓砂輪的整體接觸應(yīng)力隨著氣壓砂輪中芳綸漿粕含量的增加而增加,但是由于氣壓砂輪的進(jìn)給運動,導(dǎo)致其受力出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象,左側(cè)峰值大于右側(cè)峰值,并且中間位置的應(yīng)力值明顯小于兩側(cè)的應(yīng)力值,呈M型分布,如圖5(a)所示的未添加短纖維的應(yīng)力分布尤為明顯。但是隨著短纖維含量的增加,氣壓砂輪這一現(xiàn)象逐漸改變,0刻度處的應(yīng)力值逐漸增大,如圖5(b~d)所示。當(dāng)短纖維含量繼續(xù)增加時,如圖5(d)所示,氣壓砂輪的接觸應(yīng)力區(qū)較為集中,即兩峰值較為接近,導(dǎo)致氣壓砂輪局部工作區(qū)域的受力出現(xiàn)較大,仿形接觸區(qū)域減小,對于曲面模具的光整加工較為不利。
由此可見,并不能盲目增加短纖維的含量,而是要適當(dāng)控制其含量,使氣壓砂輪絕大多數(shù)區(qū)域的受力比較均勻。因此,由上述分析結(jié)果可知,添加3.3%芳綸漿粕的3號氣壓砂輪的接觸應(yīng)力分布相對比較均勻,建議選用添加這一比例芳綸漿粕的氣壓砂輪。
圖5 添加不同漿粕氣壓砂輪基體的應(yīng)力分布曲線
芳綸漿粕增強(qiáng)氣壓砂輪的對比試驗?zāi)康闹饕菫榱朔治龆汤w維在基體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%依次遞增至5%后對拋光效果的影響。
試驗所用模具的材質(zhì)為Cr12,激光強(qiáng)化后維氏硬度為835 HV,初始表面粗糙度Ra為0.65±0.02 μm,SiC磨粒的目數(shù)為80目,氣壓砂輪硬度為40 HA,充氣壓力為0.05 MPa,下壓量為2 mm,進(jìn)動角為20°,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。
在加工120 s后對模具表面進(jìn)行測量并取平均值,得到的試驗結(jié)果如表2所示。
表2 不同短纖維比例氣壓砂輪試驗結(jié)果
由表2中40 HA試驗組的材料去除率值可知,材料的去除率并非隨著芳綸漿粕在基體中質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加而增加,例如當(dāng)添加2.5%的芳綸漿粕后,材料的去除率為1.05 mg/min,略小于未添加的1.16 mg/min,這是因為添加2.5%的芳綸漿粕后氣壓砂輪的接觸仿形能力變小,接觸面積減小,而接觸力未有大幅度地提高,導(dǎo)致出現(xiàn)材料去除率反而減小的特殊現(xiàn)象。當(dāng)添加的比例增加后,接觸面積變化的幅度很小,但是接觸力卻大大提高,最終導(dǎo)致材料的去除率又重新增大,并遠(yuǎn)超過1.16 mg/min,達(dá)到1.67 mg/min,材料去除效果較為顯著,由此驗證了復(fù)合氣壓砂輪光整的高效性。
利用顯微成像系統(tǒng)得到的模具光整前、后的表面形貌如圖6所示。
圖6 激光強(qiáng)化模具光整前、后表面形貌對比
通過對上述試驗組的對比可以得出結(jié)論:針對表面激光強(qiáng)化處理的高硬度Cr12模具,通過添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)超過3.3%的芳綸漿粕短纖維后,可以獲得較高的光整效率,與仿真結(jié)果中的接觸應(yīng)力特性相驗證,其中材料去除率可以提高50%以上,但是對于模具表面粗糙度不會產(chǎn)生較大的影響。
為解決利用氣壓砂輪激光強(qiáng)化模具過程中,由于高頻小幅振動及長時間交變應(yīng)力作用引起氣壓砂輪基體產(chǎn)生細(xì)微裂紋的問題。通過有限元仿真軟件,本研究對芳綸漿粕增強(qiáng)復(fù)合氣壓砂輪的模態(tài)與光整中的接觸區(qū)域應(yīng)力分布特性的數(shù)值進(jìn)行了分析,驗證了通過添加短纖維方法改善氣壓砂輪抗振性與接觸應(yīng)力分布均勻性的可行性;并且得出結(jié)論:當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3%的芳綸漿粕時,可以兼顧復(fù)合氣壓砂輪仿形接觸能力與應(yīng)力分布的均勻性。
最后,通過光整加工試驗的對比,本研究驗證了復(fù)合氣壓砂輪對高硬度模具具有高效光整的可行性,能夠較好地滿足激光強(qiáng)化曲面模具的光整加工。
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