一种CBN超硬磨料砂轮的磨削过程分析与仿真
摘要 本篇论文主要描述的是CBN超硬磨料砂轮的磨削过程分析与仿真过程。在探究过程中我们选择将单颗磨粒磨削化简成六边形的方式，以便进行分析，工件则化简成长方体，将简化的六边形、长方形的尺寸输入到仿真软件中仿真分析，本次论文需要使用Advantedge FEM软件进行仿真分析，借助数学模型分析的方法对更改成不同参数的砂轮分别完成模拟仿真，获得砂轮和工件在切削过程中的温度的分布规律和切削力的变化规律， 在今后的加工过程中对于参数的选择提供一些根据。
关键词：CBN砂轮 单颗磨粒 磨削仿真 建模
目 录
第一章 绪论 1
1.1论文内容描述 1
1.2 CBN超硬砂轮的简介 1
1.3 CBN砂轮国内外研究发展状况 1
1.4有限元法简介 2
1.5 ADVANTEDGE FEM简介 3
1.6课题研究内容及其意义 3
1.6.1主要研究内容 3
1.6.2课题的意义 3
第二章 关于磨削技术的简介 5
2.1磨削技术的简介 5
2.2磨削技术的发展 5
2.3磨削技术应用实例 8
第三章 关于CBN刀具的简介 11
3.1 CBN刀具简介 11
3.2 CBN刀具的发展 11
3.3 CBN刀具的分类和特性 11
3.4常用应用领域 11
3.5 CBN刀具使用实例 12
第四章 关于颗粒的磨削和建模 14
4.1单颗磨粒的磨削研究 14
4.1.1 单颗粒磨削实验法 14
4.1.2 单颗粒磨削仿真法 14
4.2 磨粒和工件的选择 14
4.2.1 形状分析 14
4.2.2 工件的材料和形状选择 16
4.2.3 CBN颗粒粒度和工件的尺寸选择 16
第五章 ADVANTEDGE 仿真分析 18
5.1 ADVANTEDG软件的使用方法步骤 18
5.2 磨削热和磨削力的讨论 21
5.2.1磨削力 21
5.2.2磨削热 22
5.3实验刀具参数定义 23
5.4磨削力和温度分析 24
5.5 实验结果单因素与双因素对比分析 35
5.5.1实验结果单因素对比分析 35
5.5.2实验结果双因素分析 41
5.6 关于工件温度的分析 42
结 论 53
致 谢 54
第一章 绪论
1.1论文内容描述
本文共分五章。第一章主要介绍了国内外CBN超硬砂轮的发展现状、本研究采用的主要研究方法以及所用软件的概括介绍。第二章介绍了磨削技术的研究现状及发展，第三章是关于CBN刀具砂轮的简要介绍。第四章是磨粒的选择方法和CBN砂轮磨粒与工件的建模过程描述，第五章则是非常重要的一章，主要是仿真分析软件的结果处理以及数据分析。
1.2 CBN超硬砂轮的简介
CBN超硬砂轮是机械加工中超精加工的重要工具，研究其磨削机理对磨削加工方法的
采用有着重要的作用。通过对该CBN超硬砂轮单层磨削进行过程仿真和磨削机理分析有利于提高生产效率，降低成本。
CBN超硬磨砂砂轮由立方氮化硼制作而成，这种材料的砂轮现在被广泛使用在高精度切削，高速度切削，无人切削， 高精度切削， 难加工材料切削等技术上。砂轮的粒度不同，适用的加工材料和加工要求也不同，较大的磨粒能够进行高速切割，不过加工物体的表面光洁度也会变差。而细小的磨粒则用于精密加工。砂轮的粒度一般为10-24(粗)、30-60(中)、80-200(细)、220-600(非常细)。
CBN（Cubic Boron Nitride）是第二种人为制造的超硬磨削材料。主要的优点包括硬度较与其他材料更高、热稳定性更好、摩擦系数小、化学惰性好、热膨胀系数小、耐磨性好，是非常理想的磨削材料，多数情况下都会考虑CBN材料的使用。
目前最常看到的的两种砂轮是电镀CBN（将从磨料中获得的一层镍基粘合剂电镀到钢基体上形成的砂轮）和金属CBN砂轮（通过熔焊将一层磨料固定在钢基体上而形成的砂轮）。主要特点包括有更好的形状、精度更高的强度和在高速情况下发挥其磨削优势的能力。
1.3 CBN砂轮国内外研究发展状况
在新石器时代人类就已经开始应用天然的石头来加工骨刀、石斧、骨器、角器和牙器等工具，很久以前的人类就发现了可以用天然磨料与粘土相结合来烧制陶瓷的砂，到了1900年，人工制造的磨料才开始出现，同时采用人造磨料制造的各种砂轮也相继产生，为磨削和磨床的快速发展创造了条件。此后，砂轮在磨具中所占比例逐渐增加。
20世纪80年代末，以传统超硬CBN磨料砂轮为标准，国外开发了新一代单层高温钎焊超硬磨料砂轮。不过近年来我国CBN磨料发展速度非常快。形成了超硬磨材料、特种磨削液、专用精加工设备、特种磨床等完整的三种体系，超硬砂轮最高转速可达80m/s，并且转速还在不断增加。
立方氮化硼（CBN）砂轮因其低成本，高生产率，高可靠性和减少的热损伤而成为难以加工的金属合金的工业吸引力和长期稳定的选择。这与优异的工件表面光洁度以及由于切削深度增加而增加的加工引起的表面压缩残余应力相结合。电镀CBN砂轮也比常规砂轮提供了更高的磨削性能，而无需改造现有的常规机床。此外，与用金属基体覆盖了三分之二或更多的砂砾高度的电焊CBN砂轮相比，单层电镀CBN砂轮具有更高的粘结强度，更大的砂砾突出和更均匀的砂砾分布，因此促进更大的切削深度。与铜焊CBN砂轮相比，电镀CBN砂轮是在接近环境温度下制造的，在粘结层中没有热引起的残余应力。相反，钎焊过程中的加热效果会影响砂轮的圆度和公差尽管有这些好处，但单层电镀CBN砂轮的主要局限在于缺乏修整，需要高昂的更换成本，
在达到其使用寿命之前。热负荷对于限制砂轮寿命也至关重要，特别是对于高效深磨（HEDG）工艺以及相关的高材料去除率而言[7]。在实践中，当磨粒磨损到与磨削功率增加相关的经验预定水平时，CBN轮就达到使用寿命。
1.4有限元法简介
有限元法在研究领域获得了广泛关注和使用，20世纪初就已经开始使用，近年来，有限元法以其独特的计算优势得到了迅速发展。有限元的研究就是把复杂问题分解成为几个简单的问题， 然后再求解。 它把问题看做成是很多小的问题构成， 每一个小的问题都有一个简单的解， 推断出求解需要满足的条件， 最后得到复杂问题的解。 在实际的工作过程中，求解各小区域的应力和变形非常简单。随着单元数的增加，各小区域的应力和变形拟合更接近实际情况。可以认为，只要有足够的独立单元面积，拟合结果将无限接近最真实的情况，有限元法是结构力学早期发展起来的一种方法，目前已被用于工程研究领域。在发展过程中，有限元方法已经从最初的静力研究发展到空间结构稳定性的分析研究。在实践中，有限元法解决了研究领域的诸多问题，为工业崛起做出了巨大贡献。
1.5 ADVANTEDGE FEM简介
AdvantEdge FEM是Third Wave Systems公司的一个CAE软件，这个公司的业务不但是金属切割有限元仿真软件的研发和营销，还有工艺优化软件。 这个有限元软件主要是用在优化金属切割过程和刀具设计过程，有助于提高产品质量，提高材料去除率，延长刀具的使用寿命。
为了满足国内企业对金属加工仿真的需求，2006年国内公司代理了Third Wave Systems的advantEdge FEM软件，为国内制造行业的仿真模拟需求提供了一个有效的解决方案。
这款软件能够有效避免试加工过程中材料的浪费，节省宝贵的时间，减少加工过程的周期，最重要的是软件的仿真能够为实际的加工提供数据依据。避免了传统加工工艺过程中的零件质量的不可控性。
1.6课题研究内容及其意义
1.6.1主要研究内容
本文通过分析切削的基本机理， 以适当单一粒子的磨削模型进行仿真分析，使用的ADVNTEDGE FEM有限元分析软件虽不是设计行业最受欢迎的模拟软件，但对于本课题研究的CBN砂轮的磨削模拟的精度和可靠性是没有问题的。本课题分别对CBN砂轮磨削45钢中的进给速度和磨削最大深度等参数进行变更处理，结果则用磨削力配模图和磨削热分布图表示，分析CBN砂轮磨削中的切入、剪切的瞬间性的力和各部的切削温度及工件的温度分布，对应的折线图构筑，能直观地总结。磨削力和磨削热是随着磨削深度和进给速度的变化而产生不同的变化规则。
1.6.2课题的意义
研究其磨削机构对其采用磨削加工的方法上有非常重要的意义。这种超硬CBN砂轮单层磨削过程模拟和磨削机构的分析有利于提高生产效率和降低生产成本。由于本课题实验设备有限和时间紧迫以及在国内超硬材料切削加工工艺不成熟，所以只针对45钢利用AdvantEdge FEM有限元软件采用有限元模型进行分析，最后做结果对比分析，从而使本课题有限元仿真分析方法的可靠性得到验证。
小结 ：本章介绍了CBN超硬磨料砂轮和AdvantEdge FEM仿真软件，阐述了论文结构以及本课题研究意义。
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