超声波加工硬脆材料机理的有限元分析

《电加工与模具》 01 2 1年第 4 期

设计 究研

超声波加工硬脆材料机理的有限元分析陈娟烈，轧刚，延晓常(太原理工大学机械工程学院，山西太原 0 0 2 3 0 4)

摘要：过非线性有限元程序 L— YNA,拟金刚石磨粒冲击玻璃材料过程中裂纹的产生和通 SD模材料去除情况，分析超声加工硬脆材料的去除机理。 关键词：超声波加工；硬脆材料； SD A; L— YN裂纹中图分类号： 6 3 TG 6文献标识码： A文章编号：0 9 7 X 2 1 ) 4 0 0—0 1 0—2 9 ( 0 1 0—0 3 3

FEM Anay i n Ulr s n c M a h n n e h n s f Ha d a d Br tl a e i l l ss o t a o i c i i g M c a im o r n ite M t ra s Ch nJ a l, n Ch n n io e n i YaGa g, a g Ya xa u e

(Tay a iest f c n lg Tay a 3 0 4, hn iu n Unv ri o h oo y, iu n 0 0 2 C ia) y TeAb t a t n t sp p r,u i g t o i a i t l me r g a LS DYNA o smu a et ede sr c:I hi a e sn hen nl ne rfnieee ntp o r m— t i lt h — v lpme fc a k n t ra e v li h r c s f d a n r i mpa tn a s ma e il, eo nto r c s a d ma e ilr mo a n t e p o e s o imo d g an i c i g gls t ras

t e r mo a me h n s o a d a d b i l t ras i lr s n cm a h n n sa ay e . h e v l c a im fh r n rt e ma e i u t a o i c i i g i n l z d t l nKe r s:u ta o cma hi ng; r nd brtl t ras LS DYNA; r c y wo d lr s ni c ni ha d a ite ma e il;— ca k

超声加工是 2 0世纪中叶发展起来的硬脆材料的加工方法。该方法对工件的切削力小，度高，精效

1有限元模拟仿真 1 1材料模型的选择与分析 .在

模拟分析的过程中，以金刚石颗粒和工件 (以

率高，加工玻璃、是陶瓷、石英、翡翠等硬脆材料的有效方法…。正因为超声加工在工业领域中的应用越来越广泛，近几十年来，国学者对超声加工机理做各

玻璃面板为代表 )为研究对象。在 L— YNA中， SD定义金刚石磨粒为刚体，基本参数见表 1。其 表 1金刚石磨粒材料参数

了大量的理论分析与实验研究，一定程度上使在超声加工技术越来越成熟。然而，这些研究大都是

通过大量的实验结果和数据做出定性分析，出近得似结论，对材料的微观去除过程没有具体而直观的认识。本文利用大型计算软件 L— YN对单颗 SD A,及多颗金刚石磨粒冲击玻璃材料的过程进行直观清晰的模拟，析得到应力、变、量、分应能速度等一系列

玻璃板材采用 J 2模型。J 2是用来描述玻 H一 H一璃、瓷等硬脆材料性能的本构模型，陶它假定材料的强度与所承受的压力、应变率和损伤有关，损伤定义为材料的累计应变和断裂应变之比，力一压比容关系

数据，可清楚地看到玻璃材料在受到磨粒冲击过还程中裂纹的产生与扩展、料的剥落与去除等现象。材 从而能在一定程度上验证超声加工的理论，能解且释和指导具体的实验研究，为研究超声加工机理提出有力依据，降低加工成本、高加工精度和效率对提等都有很大的指导意义。收稿日期： 0 l l 1 2 1一0一3

考虑了材料的体积效应。该模型采用 MT S单轴、多轴压缩实验、 H B压缩实验、维应变平板冲击 SP一实验及 D ( e t fpn tai ) OP dpho e ert n实验获得相关数 o据。玻璃的基本参数见表 2。 表 2中： p为密度；为剪切模量；为未损伤 G A

标准化强度参数；为断裂标准化强度参数；为 B C强度参数 (变率 ) HE为弹性极限； HE为弹应； L P L性极限的压力指数； ET B A为弹性能转化为静水能

第一作者简介：陈娟烈，男，18 9 4年生，硕士研究生。

设计 究研比例； D D、为塑性断裂参数；为断裂强度参数 M (压力指数 ) N为

未损伤强度参数 (力指数 ) E—;压； P S J为参考应变率；为最大拉伸强度； F X为 T S MA最大标准化断裂强度；、 K K为压力系数；为弹 K性常数； S为失效准则。 F表 2玻璃 J 料参数 H 2材

《电加工与模具》 01 21年第 4 期方向上运动。工件 P r at 2底面加上全约束，别限分制 x方向和 y方向的移动自由度。定义两个 P r at 的接触为：CoNTACT—AUTOM ATI—SURFACE—TO— C

S F C。模拟过程中加上两个曲线载荷： uv UR A E C re 1义为时间一移曲线； uv定位 C re2定义为时间一曲力 线。超声振动运动公式为： Y=As ( r t。其中， i 2r ) n f 振幅 A=0 0 .5mm,频率 f=1 0 ,也是粘结 50 0Hz这在工具头上的磨粒在加工过程中的运动路径。在模拟过程中取超声振动一个周期的 14为模拟时问：/

寺× 1 1 6×0 m) 1 7 1 s 6 (C re与 C re uv 1 uv2可通过相关计算得到。然而，1 2有限元模型的建立 .

要进行对裂纹的生成和扩展的模拟，得进行相应还的后处理，所生成的 K文件中通过 *MA A D 在 T— D—

在磨粒与工件有限元模型的建立过程中，了为加快计算速度和节约计算机资源，鉴于问题的对又称性，建立 14模型；/看效果的时候可在后处理时对

E OSON添加单元破坏判据。当有限元模型中的 R I单元应力、变超过设定值后，元失效；效的单应单失元从模型中删除，多个被删除的单元贯穿，结构中在形成裂纹。这个命令的关键在于失效判据要选得合适，文采用的是 P E S E判据¨。本 R S UR J

其进行镜像操作。金刚石磨粒和工件均采用三维S L D1 4单元， O I 6该单元是六面体单元，用于三维适实体，定义了 8个节点，每个节点在 X、 Z方向上 y、都有位移、速度、速度。实际加工中的金刚石磨粒加

2模拟结果及分析2 1材料的去除方式 .

形状是不规则的，研究中将磨粒简化为球体，在以 7磨粒为例，简化为半径为 0 1

/i的 14球 0可 . nl ' l/体。分析时采用双磨粒模拟，件为边长 0 1mm工 . 通过图 2和图 3可直观清晰地看到工件在磨粒

的立方体，这样既能节省计算时间，能清晰地显示又模拟结果，型见图 1模。为了得到真实理想的模拟效果，件模型共划分为 1 50 0个单元，粒划分工 2 0磨为 34 6个单元。把两颗磨粒定义为 P rl把工件 5 at,定义为 P r2 at。

冲击下材料去除情况。在受到冲击式撞击作用下， 工件材料的去除主要表现在两个方面：是磨粒的一

图 2磨粒冲击工件的剖面图

Z

■

压渍区

剥落区

图 1模型及网格划分

1 3边界条件、载、触及后处理 .加接磨粒刚体 P r at l限制 X方向和 y方向上的移

动自由度，束所有的转动自由度，其只能在 z约让

图 3单颗磨粒冲击表面的俯视图一

31~

《电加工与模具》 0 1 21年第 4 期直接锤击作用，导致工件材料受压溃而去除；二是磨粒对工件的冲击作用而形成的微观和宏观裂纹，当它们扩展到一定深度时，互交织的裂纹只要受到相参考文献：

设计 究研

[]王超群，敏 .超声波加工工艺的材料去除率建模及试验研究 1康[] J .机床与液压，0 6 1 ) 1 2 0 (2:8—1 .3 92 .1 P l , eri . x ei na iv s g t n o tr 1 2 e ZJ F re aP M Ane p r J r me t e t ai f oa yu ln i o r

很小的冲击力，就会导致材料的大片剥落。2 2裂纹的分析 .

tao i fc l g l] Itr ain l o r a o c ieTo l rs nc a emii n en t a J un l fMahn os l n J o & Ma ua tr,9 9 3 ( ) 1 2 n f u e 1 9, 9 8: 3 7—1 4 c 34

通过模拟分析，知裂纹的产生与扩展大致分得为三步。第一步：形成中央裂纹。当磨粒以一定的压力作用于工件时，件受 …… 此处隐藏：3361字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……