許立福 劉 濤 黃樹濤 周 麗

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，簡稱PCD)具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性，化學(xué)性能穩(wěn)定，在精密切削等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。PCD的精密加工方法之一就是采用金剛石砂輪進(jìn)行研磨加工。研磨時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與工件表面接觸摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，大部分熱量被傳入工件，引起工件表層局部的高溫。高溫一方面有利于PCD材料的去除及研磨表面粗糙度值的減小;另一方面過高的溫度會導(dǎo)致研磨表面的熱損傷，出現(xiàn)嚴(yán)重石墨化，降低聚晶金剛石使用壽命和工作可靠性［2］，同時(shí)高溫也會導(dǎo)致砂輪磨損加快。因此，研究聚晶金剛石高速研磨時(shí)表面溫度的分布狀況，對提高研磨效率和研磨質(zhì)量，有效控制熱損害，深入探討聚晶金剛石的高速研磨機(jī)理等具有重要意義。

本文采用三維熱－力耦合有限元法分析了使用金剛石砂輪高速研磨聚晶金剛石圓片時(shí)，在不同工藝參數(shù)下，摩擦熱所形成的溫度場分布規(guī)律，為聚晶金剛石的高速研磨實(shí)驗(yàn)及研磨機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 有限元分析

1.1 PCD片與砂輪實(shí)體模型的建立

根據(jù)聚晶金剛石高速研磨裝置，建立圖1所示PCD片與金剛石砂輪的溫度場分析有限元模型，在保證計(jì)算精度的條件下，為了提高計(jì)算效率，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化。其中砂輪的直徑為260 mm，基體厚度20 mm，工作層厚度3 mm。PCD片為直徑13 mm，厚度2 mm的圓片，PCD層與硬質(zhì)合金層厚度各為1 mm，PCD圓片中心距砂輪中心110 mm。

1.2 材料特性及單元類型

金剛石砂輪的基體為鋁合金，工作層為樹脂與金剛石磨粒的混合物，濃度75%的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的機(jī)械及熱特性如表1。

PCD片與砂輪之間的摩擦生熱問題屬于熱結(jié)構(gòu)耦合場分析，其變形和傳熱發(fā)生在同一空間域和時(shí)間域，可以采用ANSYS提供的耦合場三維六面體單元SOLID5來進(jìn)行單元劃分。SOLID5單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有6個(gè)自由度。

表1 有限元計(jì)算中的材料特性［3－4］

1.3 載荷與邊界條件

為了分析PCD片與金剛石砂輪相對高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)摩擦熱的溫度分布情況，使砂輪相對于PCD做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，PCD片固定不動，并在其上方施加一定的壓力載荷。施加的砂輪轉(zhuǎn)速分別為1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 r/min。壓應(yīng)力載荷分別為 2、4、6、8、10 MPa。對比分析冷卻和不冷卻兩種情況下的溫度場分布情況。

傳熱過程開始時(shí)，PCD片、砂輪表面及內(nèi)部的溫度為環(huán)境溫度，即有限元分析時(shí)的初始溫度。由于熱－力耦合分析過程中的時(shí)間較短，為了使溫度場分布更明顯，適當(dāng)提高初始溫度T0，取T0=50℃，得到溫度初始條件:

式中:t為時(shí)間，s;T0為初始溫度，℃。

考慮到PCD片與砂輪之間的熱輻射損失、熱傳導(dǎo)及熱對流較少，計(jì)算時(shí)忽略了熱輻射的影響。邊界條件包括已知熱流密度的第二類邊界條件和已知對流傳熱系數(shù)的第三類邊界條件。邊界條件可表示為［5］:

式中:q*為熱流密度;λnn為熱導(dǎo)率;?T/?n為沿向的溫度梯度;hf為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);TS為固體表面的溫度;TB為周圍環(huán)境的溫度。

將角速度載荷轉(zhuǎn)化為切向位移載荷施加在砂輪上，PCD片上表面施加壓應(yīng)力載荷和冷卻時(shí)的溫度載荷。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度場的分布規(guī)律

圖2和圖3所示分別為無冷卻和有冷卻兩種情況下，砂輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min，壓應(yīng)力載荷10 MPa時(shí)，聚晶金剛石研磨表面溫度場隨時(shí)間的分布及變化云圖。PCD圓片左側(cè)為外邊緣(距砂輪中心較遠(yuǎn)處)，右側(cè)為內(nèi)邊緣，下側(cè)為研磨切入點(diǎn)，上側(cè)為切出點(diǎn)。從圖中可以看出，冷卻與不冷卻兩種情況下研磨表面溫度場的分布及隨時(shí)間的變化趨勢非常相似，最高溫度都分布于外邊緣處，最低溫度則分布在內(nèi)邊緣處，只是冷卻時(shí)的表面溫度值較低。在研磨開始時(shí)，下側(cè)切入點(diǎn)處溫度比上側(cè)切出點(diǎn)處溫度高，但隨著研磨時(shí)間的增加，切出點(diǎn)的溫度逐漸升高，當(dāng)研磨一段時(shí)間后，切出點(diǎn)處溫度超過了切入點(diǎn)處溫度，并持續(xù)下去直到研磨結(jié)束。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是，研磨過程中PCD片外邊緣處的研磨線速度大于內(nèi)邊緣處，摩擦產(chǎn)生的熱量多，使得外邊緣處溫度高于內(nèi)邊緣處，內(nèi)外邊緣處溫度差值的大小主要取決于研磨線速度差值的大小。研磨切入點(diǎn)處和切出點(diǎn)處線速度相同，隨著研磨時(shí)間的增加，切入點(diǎn)處的一部分熱量經(jīng)過砂輪傳遞到切出點(diǎn)處，使得切出點(diǎn)處的溫度逐漸高于切入點(diǎn)處。

其他轉(zhuǎn)速和載荷條件下溫度場隨時(shí)間的分布和變化規(guī)律與上述情況相似，這里不再一一列出。

2.2 研磨參數(shù)對溫度場的影響

(1)研磨時(shí)間對溫度的影響

圖4所示為砂輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min，壓應(yīng)力載荷10 MPa時(shí)，PCD片研磨表面最高溫度與研磨時(shí)間的關(guān)系曲線。可以看出，最高溫度隨著研磨時(shí)間的增加而升高，開始時(shí)溫度升高速度較慢，隨后快速升高，最后升高速度又趨于平緩，類似“S”型曲線。不冷卻情況下溫度的最高值始終比冷卻時(shí)大，而且兩者之間的差值隨時(shí)間的增加也逐漸變大。

(2)研磨速度對溫度的影響

圖5為研磨時(shí)間相同，壓應(yīng)力載荷10 MPa時(shí)，PCD研磨表面最高溫度隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化情況?？梢钥闯?，研磨表面的最高溫度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加而增高，基本呈線性關(guān)系。不冷卻時(shí)溫度的最高值始終大于冷卻時(shí)的情況，兩條線基本平行。

(3)研磨壓力對溫度的影響

圖6為研磨時(shí)間相同，砂輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，PCD研磨表面的最高溫度隨研磨壓應(yīng)力的變化情況?？梢钥闯觯心ケ砻娴淖罡邷囟入S著壓應(yīng)力的增加而增高，在壓應(yīng)力小于6 MPa時(shí)，溫度的升高幅度較快，隨后溫度升高趨勢變緩。不冷卻時(shí)的溫度最高值始終大于冷卻時(shí)的情況。

3 結(jié)語

采用三維熱－力耦合有限元法分析了使用金剛石砂輪高速研磨聚晶金剛石片時(shí)，不同工藝參數(shù)下溫度場的分布和變化規(guī)律。

(1)冷卻情況下聚晶金剛石研磨表面的溫度始終比不冷卻時(shí)的低。

(2)不同工藝參數(shù)條件下，PCD研磨表面溫度場的分布情況基本相似，溫度的最高值都出現(xiàn)在研磨表面的外邊緣處，即研磨線速度最大處。研磨開始時(shí)，研磨表面切出點(diǎn)處溫度低于切入點(diǎn)處，隨著研磨時(shí)間的增加，切出點(diǎn)處溫度逐漸升高并超出切入點(diǎn)處溫度。

(3)PCD研磨表面溫度隨著研磨時(shí)間增加、砂輪轉(zhuǎn)速升高和研磨壓力的增大而升高，只是升高的趨勢有所不同。

［1］李穎，龍旭輝.金剛石聚晶的性能［J］.鄭州工業(yè)學(xué)校學(xué)報(bào)，2001(4).

［2］王光祖.聚晶金剛石(PCD)在工業(yè)中應(yīng)用［J］.超硬材料與工程.1996(3):15－20.

［3］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:第一卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］袁哲俊，劉華明.金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］張國智，胡仁喜，陳繼剛.ANSYS10.0熱力學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.