姜文雍+鄭孟翔+卜雪鋼+余麗霞+厲志安

摘要：為了提高自由曲面高效光整加工效率，將軟固結(jié)氣壓砂輪光整技術(shù)應(yīng)用到模具加工中。提出了一種通過添加天絲短纖維，提高氣壓砂輪基體力學(xué)性能的新方法。運用有限元軟件，仿真分析了不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氣壓砂輪對模具表面光整加工時的應(yīng)力及應(yīng)變變化情況，驗證了隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，氣壓砂輪基體的仿形能力越好，其材料去除能力也越強。

關(guān)鍵詞：剪切滯后理論；短纖維增強；復(fù)合氣壓砂輪基體；力學(xué)性能；仿形能力；有限元

中圖分類號：TG743 文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.001

0 引言

模具在現(xiàn)代社會中具有十分重要的作用，為了滿足模具表面高壽命、高耐磨性和高耐腐蝕性等新要求，表面激光強化技術(shù)在模具行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，表面激光強化技術(shù)在大幅度提高模具表面性能的同時，也使加工難度增加。在對自由曲面的光整加工時，由于一般的剛性研磨工具難以與工件曲面形成良好的面接觸；也難以把握各局部的加工力度和加工時間，因此，不但加工質(zhì)量不穩(wěn)定且加工效率低。針對這一現(xiàn)狀，浙江工業(yè)大學(xué)計時鳴等人提出了一種適用于激光強化后具有高硬度自由曲面的模具表面光整加工技術(shù)：軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪（Softness Consolidation Abrasives Pneumatic Wheel， 簡稱為SCAPW）加工方法[1-2]。

軟固結(jié)氣壓砂輪主要由氣壓砂輪基體、高聚物粘接劑和磨粒組成，其中粘接劑和磨粒均勻附著在氣壓砂輪基體上，如圖1所示。

在對模具的自由曲面進行加工時，氣壓砂輪應(yīng)當(dāng)與自由曲面有較好的仿形接觸，以便盡可能地加大與曲面的接觸面積，使更多的磨粒參與到加工中去，這就要求氣壓砂輪基體具有良好的粘彈性。高聚物材料同時具有良好的粘性和彈性，而橡膠是一種典型的高聚物材料，因此選用橡膠作為氣壓砂輪基體的材料。

天絲纖維是一種綠色無毒的纖維，其橫截面一般為圓形或橢圓形，線密度大部分為0.17tex，并具有懸垂性好，無毒環(huán)保、舒適柔軟等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)與醫(yī)學(xué)業(yè)。本文選用1.4 D×38 mm的A100型非原纖化天絲纖維。

1 短纖維增強氣壓砂輪基體理論基礎(chǔ)

短纖維與橡膠混合常用的理論模型有三種：

（1）串聯(lián)——并聯(lián)混合模型；

（2）隨機混合模型；

（3）纖維單向分布模型。

短纖維增強橡膠基體的原理是：當(dāng)復(fù)合材料承受外載荷時，外力通常先作用在橡膠基體上，由于短纖維的彈性模量遠大于橡膠材料的彈性模量，因此橡膠產(chǎn)生的變形將遠大于短纖維產(chǎn)生的變形。較小彈性模量橡膠的變形受到了較大彈性模量的短纖維的制約，于是在兩者結(jié)合的界面上形成了剪切應(yīng)力，就這樣，通過界面的應(yīng)力傳遞，把作用在橡膠基體上的力傳遞到具有高模量、高強度的短纖維上[3]。Cox[4]提出的剪滯模型就是針對短纖維增強中纖維與橡膠基體的應(yīng)力傳遞分析最重要的理論模型，如圖2所示。

2 復(fù)合氣壓砂輪力學(xué)性能分析

利用密煉機制備氣壓砂輪所需的復(fù)合材料，利用一個專用的模具制備氣壓砂輪基體。本文選用邵氏硬度40 HA的橡膠作為復(fù)合材料的基體，參照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》中的規(guī)定制成啞鈴狀試樣，在Instron試驗機上進行拉伸實驗。研究表明，當(dāng)短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超過10%時，復(fù)合材料與橡膠材料相比，其邵氏硬度基本未發(fā)生變化[5]。

圖3為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維后，復(fù)合材料的應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系曲線圖。圖3（a）所示為未添加任何短纖維時，橡膠材料的應(yīng)變—應(yīng)力曲線圖，其曲線光滑，幾乎未見波動，直到應(yīng)變量達到800%以上時材料才發(fā)生斷裂；圖3（b）所示為添加8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的天絲纖維后，復(fù)合材料發(fā)生斷裂時應(yīng)變量急劇下降。

圖3（b）和圖3（c）所示為，在同等硬度條件下，不同的天絲纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的復(fù)合材料斷裂應(yīng)變量和應(yīng)變力。對比圖3（b）和圖3（c）可以發(fā)現(xiàn)：隨著天絲纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力呈現(xiàn)增長的趨勢，而斷裂應(yīng)變量則呈現(xiàn)出減小的趨勢。斷裂應(yīng)力的增加，表明隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，短纖維在改善復(fù)合材料柔韌性的同時，也提高了仿形能力，使其更加不容易斷裂。斷裂應(yīng)變量減小則是因為在添加了短纖維后，短纖維和橡膠的接觸界面產(chǎn)生了剪切應(yīng)力，改變了橡膠原來的力學(xué)狀態(tài)，使其更容易發(fā)生斷裂。

由短纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系曲線圖可以發(fā)現(xiàn)：在初始階段，短纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)力隨著應(yīng)變的提高而快速增長。拉伸曲線在初始階段可以近似地看成線性關(guān)系。

3 短纖維增強氣壓砂輪加工仿真分析

軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪主要是通過磨粒與工件接觸并發(fā)生相對運動來實現(xiàn)材料的去除，其工作時的受力情況比較復(fù)雜。氣壓砂輪最后加工的效率主要受氣壓砂輪下壓量及其內(nèi)部充氣壓力，氣壓砂輪基體材質(zhì)以及與工件接觸的夾角等因素的影響。通過有限元仿真軟件ANSYS模擬不同氣壓砂輪基體在激光強化表面模具光整加工時的仿形能力以及接觸應(yīng)力的分布情況，可以指導(dǎo)以后的光整加工試驗。

仿真選用外徑35 mm、厚度2.5 mm的氣壓砂輪，砂輪充氣壓力0.1 MPa，氣壓砂輪下壓量為1.5 mm， 氣壓砂輪基體的短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、2.5%、5%，對應(yīng)編號分別為1、2、3。氣壓砂輪磨粒層彈性模量取4 MPa，泊松比取0.49[6]。被加工材料為高碳鋼，其彈性模量E為210 GPa，泊松比μ為0.3[7]。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4為氣壓砂輪壓應(yīng)力云圖，從圖中可見氣壓砂輪工作時在砂輪基體和工件的接觸區(qū)受力明顯；壓力值的大小隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。由修正后的Preston方程[8]可知，隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氣壓砂輪基體的仿形能力得到改善的同時，其材料去除的能力也得到了增強，進而提高了光整加工效率，驗證了短纖維增強氣壓砂輪基體的理論構(gòu)想。

4 結(jié)論

（1） 介紹了短纖維與橡膠混合的理論模型及短纖維增強氣壓砂輪基體理論基礎(chǔ)。利用短纖維增強理論，分析了添加天絲短纖維的復(fù)合氣壓砂輪力學(xué)性能。

（2） 基于有限元的方法，仿真分析了不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氣壓砂輪對模具表面光整加工時的應(yīng)力及應(yīng)變變化情況，驗證了隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，氣壓砂輪基體的仿形能力越好，其材料去除能力也越強。

參考文獻：

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