单颗磨粒高速磨削AISI 1045钢磨削机理的仿真与实验研究

摘要

AISI 1045号钢是优质碳素结构钢，冷热加工性能优异，机械性能好，常用以制造法兰、泵的运动零件，还可代替渗碳钢制造齿轮、轴、机架等部件，也可作铸件。因此，AISI 1045钢的加工性能研究受到国内外学者的广泛关注。 被加工表面的表面质量在很大程度上影响零件的质量和组件的使用性能，获得高精度、高表面质量的加工方法是研究的热点。目前普通车削、铣削能够达到的最大粗糙度为Ra 0.4，而精密磨削可以达到的最大粗糙度为Ra 0.05，能够达到绝大多数精密仪器的要求，因此研究AISI 1045钢的磨削机理具有重要意义。本文采用有限元仿真技术与实验方式，探索了AISI 1045钢的磨削机理，研究了不同磨削工艺参数（进给速度、磨削速度和磨粒前角）对磨削过程中磨削热和磨削温度的影响规律，为磨削理论的深入研究提供 了理论依据。本文的主要研究内容如下： （1）建立单颗CBN磨粒类型，并根据当前实验条件对单颗CBN磨粒进行了简化，建立了简化模型；建立了磨削过程中的相关参数模型，总结了磨削区域的几何和运动接触弧长度、磨屑厚度基本理论；分析了磨削力理论并对其进行计算；研究了磨削的比磨削能与磨削热分配比，并建立的适合于实验与仿真的热源模型。 （2）确定AISI 1045钢的Johnson-Cook本构方程参数。基于DEFORM-3D仿真软件，对单颗CBN磨粒磨削AISI 1045钢过程进行有限元仿真，分析了进给速度、磨削速度和磨粒前角对磨削力和磨削温度的影响规律，结果显示：随着进给速度的增大，磨削力和磨削温度均呈增大的趋势；随着砂轮线速度的增大，接触区域温度的最大值呈明显的升高的趋势，但磨削过程的磨削力随磨削速度的增大而减小；当进给速度和磨削速度一定时，接触区域温度的最大值和磨削力均随着磨粒前角的增大而减小。 （3）完成了不同磨削参数下单颗CBN磨粒磨削AISI 1045钢实验，并观查并检测了磨削表面形貌。分别概括和分析了不同加工参数对磨削过程中样件受力情况和磨削区域温度的影响规律，研究表明：CBN磨粒在切入端经历滑擦、耕犁和切削的过程，磨削沟痕表面磨痕为磨粒微切削刃在切削过程中形成的切削痕迹；随着样件进给速度的增大，接触区域温度最大值和磨削力均呈现增大的趋势；随着砂轮线速度的增大，接触区域温度最大值呈明显的升高的趋势，但磨削过程的磨削力随磨削速度的增大而减小；接触区域温度最大值和磨削力均随着磨粒前角的增大而减小，有限元仿真结果与实验结果具有良好的一致性。

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