陳 杰，李蓓智，楊建國

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

撓性接頭細頸微細磨削仿真研究*

陳 杰，李蓓智，楊建國

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

慣性導航關鍵件撓性接頭細頸尺寸小、剛性差，在微細加工中極易變形，其精度很難控制。為了更加明確工藝參數與殘余應力間的關系，充分認知細頸結構特征對殘余應力分布的影響，形成更加符合細頸結構特征的相互作用機制的殘余應力精確預測，以撓性接頭細筋為研究對象，基于磨削加工理論、彈塑性力學和有限元等理論，利用專業(yè)金屬切削軟件Advantedge對殘余應力進行仿真，構建了單側及雙側磨削工藝參數對撓性接頭細頸殘余應力仿真模型，并分析兩種模型得出的殘余應力分布規(guī)律。實現了在現有條件下以加工質量為主要目標，提高加工效率為次要目標對工藝參數進行優(yōu)化，為實際加工工藝參數的選擇提供理論指導。

撓性接頭；細頸；微細磨削；仿真

0 引言

撓性接頭關鍵部件是厚度為50μm以下的細頸，由2個直徑為1～3mm的微小孔形成，其尺寸精度要求在±1μm內，其加工質量直接影響整個慣性陀螺儀的工作性能[1-2]。細頸因為剛性差導致極易變形，加工一直面臨的嚴峻問題是加工完成后短期及在后期使用過程中，構件會因為受到工件表面組織缺陷以及殘余應力的影響而導致產品合格率極低。小孔進行精磨，對細頸的表面質量和使用性能至關重要。

閻志強，于波等人[3-4]對撓性接頭制造工藝及關鍵技術進行了系統(tǒng)全面的分析，并探討了研磨必要性?，F有文獻資料都局限于對撓性接頭細頸加工工藝方法研究，很少有磨削工藝參數對撓性接頭細頸加工質量，尤其是殘余應力的作用機制研究報導。已有仿真研究多集中于構建薄壁件單側微細磨削，對于兩側都進行微細磨削過程缺乏研究和討論，這對于細頸雙側磨削的殘余應力的生成與疊加分析具有一定的局限性。

研究克服構件變形問題，實際上就是研究減小內部應力改變其分布狀態(tài)以適應結構的問題。撓性接頭細頸是典型的薄壁件，其變形受多方面影響，集中體現在細頸內部應力的大小和應力分布不均勻。細頸處的應力過大或者分布不合理會使得細頸失去應有的平衡狀態(tài)而產生變形[5-6]。為了維持細頸的平衡狀態(tài)，應使得細頸處的殘余應力分布適應其結構或減小應力。因此，本文基于有限元仿真技術，構建了單側及考慮細頸結構特點的雙側磨削的仿真模型，分析不同工藝參數對細頸殘余應力作用規(guī)律，為實際加工生產撓性接頭提供理論依據。

2 單顆磨粒微細磨削仿真模型的構建

2.1 細頸微細磨削仿真運動幾何模型

撓性接頭細頸小孔微細磨削中，主軸轉速最高可達到120000r/min，磨粒在細頸小孔上作用的時間很短，故把細頸小孔磨削簡化為平面磨削。采用直徑為φ2.5mm的CBN小砂輪磨削小孔直徑為φ3mm的撓性接頭細頸。將單顆磨粒統(tǒng)一假設成理想錐體，磨粒高度20μm，磨粒刃弧半徑5μm，頂錐半角為53°。單顆磨粒最大未變形厚度agmax計算公式[7-9]如式(1)所示。

(1)

式中，vw為工件線速度；vs為砂輪線速度；Nd為砂輪動態(tài)有效磨刃數；θ為磨粒頂錐半角；ap為磨削深度；ds為砂輪直徑；dw為工件直徑。選取Advantedge軟件里的二維正交微切削模塊，如圖1a所示為單顆磨粒磨削高彈性合金鋼3J33的仿真模型；如圖1b所示為磨削結束后工件自動冷卻至室溫，得到殘余應力分布狀態(tài)。

(a) 仿真模型 (b) 工件殘余應力 圖1 殘余應力仿真模型

2.2 細頸磨削工藝參數方案

在磨削中改變砂輪線速度vs和最大未變形厚度agmax；微細磨削切削深度小，仿真中取磨削深度為1～5μm。考慮到東華大學自主研制的曲面納米磨床高速電主軸的極限轉速為120000r/min，故仿真研究中選取砂輪轉速為60000～120000r/min，采用φ2.5mm小砂輪磨削，砂輪線速度范圍為6.28～12.57m/s。

2.3 材料本構模型的建立

高彈性合金鋼3J33是撓性接頭的使用材料。砂輪磨粒材料CBN視為剛體，其物理性能參數如表1所示。

表1 工件與磨粒材料機械物理性能參數表

由于撓性接頭細頸在磨削時，其材料會表現出應變率強化、應變硬化等。故在模擬微細磨削時，使用Johnson-cook模型，其數學表達式及相關參數含義為如式(2)所示[10-11]。

(2)

表2 3J33模型參數

2.4 網格劃分

微細磨削中最小切深可達1μm，最大未變形厚度agmax至少為切深的1/10，所以最小網格可細分至0.1μm。刀具的最大網格尺寸設置為0.5μm，最小尺寸設置為0.1μm；對細頸表層40μm深度進行細分網格，網格的最大尺寸設置為5μm，最小尺寸為1μm。最終劃分好的網格如圖2所示。

圖2 刀具、工件網格劃分

2.5 細頸雙側微細磨削殘余應力有限元模型構建

撓性接頭關鍵部位細頸，其厚度僅為50μm，是典型的薄壁件，如圖3所示。細頸兩側分別進行微細磨削，細頸表面及亞表面的殘余應力將重新分布。本文通過在撓性接頭細頸兩側微細磨削，改變工藝參數以改善殘余應力分布。目前，國內外的研究最多構建細頸單側微細磨削，對于細頸兩側都進行微細磨削后殘余應力分布缺乏分析和研究。因此，通過得到的單側磨削殘余應力分布數據，以應力文件格式導入至Advantedge中，仿真計算細頸另一側微細磨削對殘余應力重新生成的影響，為提出和優(yōu)化細頸雙側微細磨削加工殘余應力奠定理論基礎，具體流程如圖4所示。

(a)實物圖 (b) 細頸圖圖3 撓性接頭細頸結構

圖4 細頸雙側微細磨削殘余應力有限元模型構建

3 細頸微細磨削殘余應力仿真結果分析

3.1單側磨削工藝參數對撓性接頭細頸殘余應力的影響機制

殘余應力分布見圖5、圖6，微細磨削作用的殘余應力深度為0.034mm，在0.034mm～0.050mm范圍內，細頸的殘余應力趨于平衡。細頸表面殘余應力為壓應力(-150～-400MPa)，說明是機械效應起主要作用；亞表層為拉應力(100～300MPa)，是熱效應和機械效應等共同作用的結果。

(1)砂輪線速度對殘余應力影響

當保持磨削深度3μm不變時，隨著砂輪線速度提高，會使細頸表面殘余壓應力的絕對值減小，亞表面的拉應力也減小，導致應力極差減小，拉應力深度減小。如砂輪線速度從6.28m/s增加到9.42m/s時，應力極差減小了24%；砂輪線速度從6.28m/s增加到12.57m/s時，應力極差減小了52%；應力極差減小，這對控制撓性接頭的變形有利。小孔磨削因砂輪直徑小，導致線速度很低情況下，仍然是較高的砂輪轉速有利于控制工作表面溫度和殘余應力。如圖5所示。

圖5 砂輪線速度對殘余應力影響

(2)磨削深度對殘余應力影響

當保持砂輪速度9.42m/s不變時，磨削深度減小，會使細頸表面殘余壓應力的絕對值減小，亞表面的拉應力也減小，導致應力極差減小，拉應力深度減小。如磨削深度從5μm減小至3μm時，應力極差減小27%；磨削深度從5μm減小至1μm時，應力極差減小36%。由此可知，殘余應力極差的變化程度不及磨削深度的大，提高磨削深度可以提高磨削效率，在選取加工工藝參數的時，可在細頸所允許的變形范圍內選擇合理的磨削深度，不僅可提高效率又可達到細頸表面質量要求。如圖6所示。

圖6 磨削深度對殘余應力影響

3.2雙側磨削工藝參數對撓性接頭細頸殘余應力的影響機制

(1)細頸雙側相同工藝參數磨削對殘余應力的影響

當采用和原有對應的工藝參數，即一側細頸分別采用vs=6.28m/s，ap=3μm；vs=9.42m/s，ap=3μm和vs=12.57m/s，ap=3μm進行磨削，采用相對應參數磨削對應每一組另一側細頸，得到的殘余應力分布如圖7所示。通過所得結果可知，殘余應力的重新分布和原來磨削單側后形成的殘余應力分布有很大的改變。當磨削兩側細頸后，距離原有一側細頸的表層和亞表層，殘余應力由壓應力變?yōu)槔瓚Ψ植?；而距離新磨削一側細頸，表層殘余應力由原有的趨于平衡狀態(tài)變?yōu)閴簯顟B(tài)分布；亞表層由原有的拉應力分布變成了壓應力分布；而且壓應力分布的深度范圍比單側磨削的壓應力分布更深。

圖7 細頸兩側相同工藝參數磨削對殘余應力的影響

當磨削深度ap=3μm一定時，在一定砂輪線速度范圍內(6.28～12.57m/s)，通過提高砂輪速度對細頸最終表面殘余壓應力的減小更加顯著，砂輪線速度從6.28m/s增加到9.42m/s時，應力極差減小了21%；砂輪線速度從6.28m/s增加到12.57m/s時，應力極差減小了28%。

(2)細頸雙側不同工藝參數磨削對殘余應力的影響

當第一側細頸采用vs=9.42m/s，ap=3μm工藝參數進行磨削，磨削另一側細頸分別采用vs=6.28m/s，ap=3μm以及vs=12.57m/s，ap=3μm時，并和采用和原有相同工藝參數vs=9.42m/s，ap=3μm的結果做對比，得到的殘余應力分布如圖8所示。

圖8 細頸兩側不同工藝參數磨削對殘余應力的影響

當第二側磨削工藝參數采用高轉速時，分布于細頸的殘余應力極差減小。砂輪線速度從6.28m/s增加到9.42m/s時，應力極差減小了22%；砂輪線速度從6.28m/s增加到12.57m/s時，應力極差減小了40%。應力極差減小，對控制細頸變形有利。

3.3 細頸微細磨削仿真結果分析

在僅磨削一側細頸下，如圖5所示細頸表面和次表面為殘余壓應力分布，遠次表面為殘余拉應力分布，殘余應力影響深度為0.034mm。當磨削兩側細頸后，如圖6所示，距離原有一側細頸的0.025mm深度范圍內，殘余應力變?yōu)槔瓚Ψ植?；而距離新磨削一側細頸的0.025mm深度范圍內，殘余應力為壓應力。磨削第二側細頸時，轉速越高，可以使得整個細頸的殘余應力極差更小，應力分布更趨于平衡穩(wěn)定，對控制變形有利。

4 結論

基于Advantedge建立的微細磨削殘余應力仿真模型，探索了不同工藝參數單側與雙側磨削對細頸殘余應力影響，可以依據零件質量要求、加工效率目標以及實際實驗條件，進行微磨削工藝參數的優(yōu)化設計，主要結論如下：

(1)對于首先磨削的一側細頸，優(yōu)先選用中、高速的砂輪線速度。考慮到東華大學自主研發(fā)的主軸最高轉速為120000 r/min 的條件下，單側磨削選擇90000r/min，即砂輪線速度vs=9.42m/s，切深ap=3μm時磨削效率高，表面質量好，可實現質量與效率的完美統(tǒng)一。

(2)撓性接頭細頸厚度只有50μm，難以抵抗應力的綜合作用而極易變形，則可以采用適當的磨削工藝參數。在第二側細頸磨削，優(yōu)先選中、高速的砂輪線速度。如右側細頸磨削采用vs=12.57m/s(ns=120000r/min)，ap=3μm的工藝參數，使存在細頸內部的應力大小、分布狀態(tài)發(fā)生改變，達到調整應力的作用，使其適應結構，達到不產生變形或不超過希望變形量的目的。

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SimulationAnalysisforMicro-grindingFlexibleJointThinNeck

CHEN Jie, LI Bei-zhi, YANG Jian-guo

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The thin neck of inertial navigation key pieces flexible joints is size small and weak stiffness, the thin neck is easy to distort in the micro-grinding process, it quite difficult to control the accuracy. In order to know the relationship between process parameters and residual stress more clearly, cognitive well the structure of thin neck characteristics influence on residual stress distribution, and an accurate prediction of the residual stress of the interaction mechanism which is in line with the characteristics of the thin neck structure is obtained. Based on the theory of elastic-plastic mechanics, the residual stress distribution about the thin neck of flexible joint is obtained by using the professional cutting software Advantedge. Simulation model of residual stress about the unilateral and bilateral grinding process parameters on the thin neck of flexible joint are built up, and the residual stress distribution rule of two kinds of model are analyzed. Under the existing conditions, the first and more important is controlling the processing quality. Another one is improving the processing efficiency. All the results provide relevant theoretical basis for parameters selection in the real production.

flexible joints; thin neck; micro-grinding; simulation

1001-2265(2017)11-0116-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.030

2016-12-19

上海市軍民融合專項(滬經信軍[2016]381號)

陳杰(1989—)，男，江西宜春人，東華大學碩士研究生，研究方向為先進制造技術，(E-mail)jiechen1989@163.com；通訊作者：李蓓智(1954—)，女，上海人，東華大學教授，博士生導師，研究方向為現代集成制造技術與系統(tǒng)，先進制造加工、科學與技術。

TH162;TG58

A

(編輯李秀敏)