磨粒的案例
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
這是因為工件以脆性斷裂方式去除材料時，在Z向不斷的壓力作用下，裂紋向下擴展； 而X向磨粒兩側對工件的擠壓效應是導致材料產生橫向裂紋的原因，磨粒兩側的擠壓使得工件內外產生應力差，工件受拉后在靠近磨粒側面處產生橫向裂紋，橫向裂紋擴展到工件表面形成破碎，便產生磨屑堆積在磨粒兩側，具體如圖5.2（b）所示。
5.2刻劃力分析
在ANSYS對模型進行前處理時定義輸出 RCFORC，即可用 LS-PREPOST 提取出單顆磨粒在變切深刻劃過程中受到的切向力、法向力和軸向力。刻劃力如圖5.3所示。
分析：由圖5.3（b）可知，X/Z始終小于1，法向力遠遠大于切向力；變切深加工過程中磨粒的切向力和法向力先隨著位移的增大而增大，當位移為1.0mm左右時，兩者力的大小開始減小，直至為0；而軸向力大小始終在0左右上下波動，基本不變。這主要是由于磨粒剛與工件接觸時刻劃力為零，隨著磨粒逐漸進入工件，切深不斷增大，磨粒與工件的接觸面積也隨之增大，從而導致了切向力和法向力的增大，當磨粒切深減小時，磨粒逐漸向上運動離開工件，切向力和法向力又開始對稱減小。劃刻劃力的波動則是由于磨屑的產生和飛濺所造成的。從圖中也可看出，當位移為0.3mm左右時，法向力急劇增大，這表明工件已經出現脆性斷裂。
圖5.3 刻劃力及力比（a）刻劃力（b）力比
5.3裂紋擴展分析
圖5.4為不同切深下單晶碳化硅襯底的裂紋產生及擴展情況。
展開 FEM-SPH耦合算法高效性驗證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
本文以單顆球形磨粒等切深劃擦碳化硅工件的FEM-SPH耦合模型為例，驗證這一耦合算法的高效性、正確性。
2 FEM-SPH耦合模型算例
2.1模型建立
圖2-1磨粒仿FEM-SPH模型
由于在磨削加工中，實際是金剛石磨粒的刀尖圓弧半徑劃過工件表面實現的材料去除，因此在介觀尺度下，不規則形狀的磨粒可以簡化成球體，工件簡化成與磨粒尺度相匹配的長方體，工件在7.5μm的切深范圍內采用SPH算法建模，剩下部.分采用FEM算法建立有限元網格，SPH粒子總數為144000個，粒子間隔為0.25μm，SPH粒子下的FEM網格工件網格大小并不影響計算結果，為提高計算時間，可適當取大網格間距，本文中取1μm，即4個SPH粒子與1個有限元網格匹配。磨粒仿真模型如圖2-1所示。幾何模型的具體參數如表2-1所示。因為磨粒為金剛石材質，其硬度和彈性模量遠遠大于單晶碳化硅工件，因此在研磨過程中，磨粒幾乎不會發生變形，因此將磨粒（密度3560kg/m3、泊松比0.2、楊氏模量1000GPa）設為剛體。單晶碳化硅是典型的的各向異性材料，本文仿真選用6H-SiC，單晶碳化硅（6H-SiC）工件的本構參數如表2-2所示。
展開 磨粒耦合仿真中的求解時間過長問題 ￥5.2
在雙顆磨粒及多顆磨粒耦合劃擦仿真中，隨著磨粒數的增多及對磨粒約束的增加，模型求解時間迅速增加，在設置不出錯的情況下，有時候甚至長達幾百個小時，這是我們不能接受的。建立的模型如圖1所示。我們來分析原因。
圖1 雙顆磨粒耦合模型
首先求解時間過長的原因與磨粒的復雜運動有關，本文中磨粒在Z向做拋物線運動，先向下在向上在sph粒子表面劃過深淺不一的溝槽，其次磨粒在Y方向做勻速直線。這樣的復合運動使得計算量大大增加。
其次磨粒與sph粒子的接觸采用自動點面接觸，多對接觸對使得接觸算法不斷循環，從而計算時間急劇增加，，隨著后面磨粒數增多到三顆、四顆、五顆...其計算時間必然更長，所以改進接觸算法是主要原因。
最后求解時間與sph粒子的數量直接相關。本文中SPH粒子設置的是200000，粒子間隔0.01mm，也即是10μm，粒子之間是通過罰函數來互相建立聯系的，故粒子束增多，罰函數求解時間增長。
展開 模型分享13——隨機磨粒砂輪模型建模與仿真 ￥99
仿真文件說明
1、多面體磨粒自定義隨機建模
2、磨粒在砂輪表面隨機三維分布
3、砂輪磨削模型和仿真
4、磨粒和仿真均可以自定義修改
5、附件為建模和仿真的完整文件
6、該模型答疑和協助仿真
7、目前沒有時間錄制操作視頻
仿真視頻
仿真圖片
通過添加微信或者QQ可獲得答疑
WeChat & QQ：1489785835
仿真軟件ABAQUS 6.14-1
付費描述
三維多面體磨粒、圓周隨機分布、砂輪建模、磨削仿真的CAE文件
磨粒十字刻劃氧化鋁陶瓷損傷仿真云圖
通過ANSYS/LSDYNA軟件建立雙磨粒90°刻劃氧化鋁陶瓷表面，材料用JH-2本構，損傷失效選用最大拉伸失效，因此fs設為負值，金剛石磨粒為自然界最硬的物質，選用rigid本構。通過速度曲線加載方式定義磨粒的運動方式，模型建立完成后于LSDYNA Solver求解，最終結果用LSPP查看，得出的損失云圖如下圖所示。
雙顆磨粒FEM-SPH聯合建模分析方法
用WB LSDYNA建立雙顆磨粒與FEM、SPH工件部分，用ANSYS19.0 LSDYNA畫網格，磨粒掃掠網格，工件映射網格，其他前處理用LSPP處理，也可以在APDL中完成，最FEM-SPH耦合仍然在LSPP中處理，用UE修改替換關鍵字，主要是材料本構（JH-2），求解用LSDYNA Solver完成，或者ANSYS也行。
此方法還在嘗試中，歡迎大家一起交流探討。
一種壓痕試驗仿真方法的介紹
2模型的建立
2.1壓痕理論
壓痕理論作為斷裂力學的重要組成部分，很多學者已經對其進行過細致的分析討論，這里只是簡單介紹一下模型中磨粒壓入工件裂紋產生及擴展的基本原理，并通過此理論對后處理數據做出相應地解釋[1]。如圖2-1所示，磨粒（類比于尖銳壓頭）在對工件初始加載過程中，磨粒正下方會形成一個塑性變形區，主要包括：塑性變形、相變、軟化、微觀裂紋等，另外磨粒不斷向下加載，工件材料開始向兩側流動，形成材料的堆積如圖2-1（a）所示。當加載磨粒上的壓力增加時（等效于磨粒具備向下的速度），磨粒壓入工件深度增大導致塑性變形區繼續擴大，同時材料的各項異性特性導致裂紋橫向、縱向擴展的寬度、長度、速度均不同，更本質的原因是塑性變形區和塑性變形區下方的彈性區兩者的內部殘余應力不同（如圖2-1（b）所示）。當卸載過程開始時（磨粒向上運動），此時側向裂紋擴展出現，殘余應力為裂紋擴展提供動力，當殘余應力繼續增大時，中位裂紋也會持續擴展（見圖2-1（c）所示）。隨著磨粒的進一步卸載，橫向裂紋進一步擴展，裂紋擴展形貌類似于月牙形，其原理是：裂紋最小阻力原理，即裂紋總是向著最小阻力的方向延伸擴展。而最小阻力通常來自材料的自由表面，因此在磨粒卸載過程中，橫向裂紋的擴展會逐漸向自由表面彎曲如圖2-1（d）所示，當橫向裂紋擴展到材料的自由表面時，就會導致材料的碎裂脫落，即材料的最終去除。
圖2-1壓痕理論
2.2幾何模型建立
2.2.1采用的算法
為了提高計算效率及更好地處理SPH邊界問題，本文經過多次調試后，采用FEM-SPH耦合算法。
2.2.2有限元建模
本次建模在WORKBENCH LSDYNA中使用DM建模，幾何模型如圖2-3所示。
展開 利用lammps模擬藍寶石在水潤滑環境下的拋光
圖2-2中紅色為水分子中的氧原子，綠色為磨粒原子，白色為工件原子。為了更好地觀察工件原子去除過程，在圖中隱藏了氫原子，對溝槽進行了5 Å的切片處理，并將面積為2×5 Å2的工件原子及用深藍色標記。從圖2-2可以看出，當拋光深度為10 Å時，無介質拋光下，深藍色的工件原子附著在磨粒周圍，表明工件原子以粘附和犁耕作用去除，磨粒與工件表面原子之間存在著粘附力。然而，水的加入使磨粒原子和工件原子之間的相互作用發生了明顯的改變。一方面，工件表面的原子在壓痕處表現出輕微的彈性變形，這是因為磨粒下方的水分子可以將磨粒載荷轉移到工件表面。另一方面，工件表面的原子被一些水分子鈍化，使工件原子在拋光過程中與周圍的氧原子緊密結合。鈍化消除了磨粒原子與工件表面原子之間的粘附，導致磨粒去除材料的能力降低。當拋光深度為10 Å（時，無介質拋光中材料去除機制表現為明顯的粘附和犁耕現象，而水介質拋光中僅存在犁耕現象。因此，拋光中的水膜可以鈍化工件表面，有效減少磨粒與工件之間的粘附。
圖2.2:拋光深度10 Å下的無介質拋光和水介質拋光下的原子去除過程
圖2-3為無介質拋光和水介質拋光在拋光距離為150 Å時工件表面磨損形貌的俯視圖。在拋光之前，工件被分成幾個區域，分別用不同的顏色和數字1-6標記，黑線虛線表示拋光的溝槽區域。由圖2-3可以看出，當拋光深度為10 Å時，由于粘附和犁耕的共同作用，無介質拋光中工件原子出現明顯的跨區域原子移動現象，而在水介質拋光中這種現象被很大程度地削弱。此外，無介質拋光中的堆積原子范圍更大。這進一步證明了水膜的鈍化作用顯著降低了工件的粘著磨損。
展開 碳化硅單晶襯底加工技術現狀及發展趨勢
固結磨料線鋸切片技術是指將金剛石磨料固結在金屬絲上，隨鋸絲運動實現磨粒的鋸切加工，如圖 1( a) 。
鋸切區域磨粒分布均勻，具有效率高、污染小等優勢。
激光切割技術則是通過激光處理在內部形成改性層從碳化硅晶體上剝離出晶片，該技術處于研究階段，如圖 1( b) 。
冷分離技術具有材料利用率高，節能環保的優點，如圖 1( c) 。
激光在晶錠內部形成角質層點平面，其上表面涂覆特制的分離材料并冷凍，遇冷收縮可分離晶圓薄片。
電火花切片利用脈沖放電對碳化硅單晶進行腐蝕切割，精度和生產率高，如圖 1( d) 。
加工后碳化硅晶片表面光滑，但切縫較寬，表面損傷層后續處理工藝需要進一步開發。
2. 2 切片質量的主要影響因素與優化措施
表層裂紋損傷與切片質量密切相關。4 H-SiC 切片加工可能產生表層裂紋損傷，主要分為亞表面側向裂紋損傷和中位裂紋損傷，如圖 2 所示。該裂紋損傷在增加后續加工成本的同時，容易進一步擴展導致晶片斷裂。鋸切工藝參數、固結磨粒尺寸、工件進給運動，鋸絲速度控制不當都可能導致切片出現表層裂紋損傷。在碳化硅襯底材料上進行外延生長、器件制造工藝及器件工作性能都與晶體取向相關。為了避免方向敏感性導致切片加工時晶片產生脆性裂紋，在碳化硅晶錠切片前，需要進行晶體定向檢測。
碳化硅晶錠一般生長在 SiC{ 0001} 面上，沿平行于晶錠生長方向的 SiC 晶面進行切割，可有效降低切片表面貫穿螺型位錯密度，提高切片質量。切片過程中鋸切工藝參數的控制對于切片質量也至關重要。減小進給量和進給力可降低磨粒法向壓應力，增大鋸絲速度可降低磨粒切向壓應力，小范圍減小鋸絲和鍍層的磨損及磨粒的脫落，但需綜合考慮鋸絲損壞程度與鋸切效率。
展開 軸承振動的噪聲考慮
2）正常情況下磨損磨粒的形態特征
滾動軸承在跑合期或正常運轉期內，所產生的磨粒碎片尺寸大小為0.01-0.015mm，并混有一些金屬粉末。新軸承在跑合期內產生的磨粒碎片的數量較正常運轉期要多。進入正常運轉期后磨粒碎片及金屬粉末的數量會顯著減少。磨粒碎片在顯微鏡下呈現細而短的形狀，有著不規則的斷面。
3）故障性磨損磨粒的形狀特征
滾動軸承的主要失效形式是疲勞點蝕和滾動疲勞，剝落下來的磨粒碎片尺寸大小一般為0.025-0.05mm，有時還有尺寸更大的碎片，并混有一些金屬粉末。滾動軸承鋼球磨粒碎片通常呈現
大致為圓形的、沿徑向分開的玫瑰花瓣形狀，滾道的磨粒碎片呈現大致為圓形的、表面破碎的形狀，滾子軸承的滾子磨粒碎片通常呈現長度等于2-3倍寬度的卷曲狀矩形，滾道的磨粒碎片一般呈現不規則的長方形。
3、用測量法對滾動軸承進行監測
通過測量軸承運轉中的溫升情況，一般很難監測軸承所出現的疲勞剝落、裂紋或壓痕等局部性損傷，特別是在損傷的初期階段幾乎不可能發現什么問題。當軸承在長期正常運轉以后，出現溫度升高現象時，一般所反映的問題不但已經相當嚴重，而且會迅 速發展，造成軸承損壞故障。這時候，間斷性的監測往往會造成漏監情況。監測中若發現軸承的溫度超過70-80℃，應立即停機檢查。
對于新安裝或者重新調整的滾動軸承，通過測溫法，監測其在規定時間內的溫升情況，可以判斷軸承的安裝與調整質量，尤其間隙過緊時會出現溫升過高的現象。發現問題及時調整，有利于延長滾動軸承的使用壽命。
展開 基于FE耦合SPH算法的磨粒變切深刻劃碳化硅陶瓷仿真
粒子拋擲效果及損傷分布與相關文獻中基本一致，驗證了FE耦合SPH算法的合理性，可用于磨粒精密加工領域。
基于FE-SPH耦合的算法采用ANSYS/LSDYNA仿真磨粒磨削硬脆材料的裂紋仿真方法總結 ￥9.99
30angle 裂紋云圖
30angle 沿深度方向的裂紋分布云圖
調試許久的金剛石磨粒磨削硬脆材料引起的裂紋延伸擴展云圖終于有了一定的進展，紀念一下。2021-12-7.
磨床車間師傅整理的筆記，推薦收藏
砂輪的粒度越細，則砂輪單位面積上的磨粒數越多，磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度值越小。但粒度過細，砂輪易堵塞，使表面粗糙度值增大，同時還易產生波紋和引起燒傷。
砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。砂輪太硬，磨粒磨損后還不能脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值，所以要選合適的砂輪硬度。
砂輪的修整質量與所用修整工具、修整砂輪的縱向進給量等有密切關系。砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層已鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。另外，修整砂輪的縱向進給量越小，修出的砂輪上的切削微刃越多，等高性越好，從而獲得較小的表面粗糙度值。
2. 工件材質有關的因素
包括材料的硬度、塑性、導熱性等。
工件材料的硬度、塑性、導熱性對表面粗糙度有顯著影響。鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。
3. 加工條件有關的因素
包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統的精度與抗振性等。
磨削用量有砂輪速度、工件速度、磨削深度和縱向進給量等。提高砂輪速度，就可能使表層金屬塑性變形的傳播速度跟不上磨削速度，材料來不及變形，從而使磨削表面的表面粗糙度值降低示。工件速度增加，塑性變形增加，表面粗糙度值增大。磨削深度和縱向進給量越大，塑性變形越大，從而增大了表面粗糙度值。砂輪磨削時溫度高，熱的作用占主導地位，因此切削液的作用十分重要。采用切削液可以降低磨削區溫度，減少燒傷，沖去落的砂粒和切屑，以免劃傷工件，從而降低表面粗糙度值。但必須選擇適當的冷卻方法和切削液。
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砂輪的粒度越細，則砂輪單位面積上的磨粒數越多，磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度值越小。但粒度過細，砂輪易堵塞，使表面粗糙度值增大，同時還易產生波紋和引起燒傷。
砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。砂輪太硬，磨粒磨損后還不能脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值，所以要選合適的砂輪硬度。
砂輪的修整質量與所用修整工具、修整砂輪的縱向進給量等有密切關系。砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層已鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。另外，修整砂輪的縱向進給量越小，修出的砂輪上的切削微刃越多，等高性越好，從而獲得較小的表面粗糙度值。
2. 工件材質有關的因素
包括材料的硬度、塑性、導熱性等。
工件材料的硬度、塑性、導熱性對表面粗糙度有顯著影響。鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。
3. 加工條件有關的因素
包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統的精度與抗振性等。
磨削用量有砂輪速度、工件速度、磨削深度和縱向進給量等。提高砂輪速度，就可能使表層金屬塑性變形的傳播速度跟不上磨削速度，材料來不及變形，從而使磨削表面的表面粗糙度值降低示。工件速度增加，塑性變形增加，表面粗糙度值增大。磨削深度和縱向進給量越大，塑性變形越大，從而增大了表面粗糙度值。砂輪磨削時溫度高，熱的作用占主導地位，因此切削液的作用十分重要。采用切削液可以降低磨削區溫度，減少燒傷，沖去落的砂粒和切屑，以免劃傷工件，從而降低表面粗糙度值。但必須選擇適當的冷卻方法和切削液。
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砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。砂輪太硬，磨粒磨損后還不能脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值，所以要選合適的砂輪硬度。
砂輪的修整質量與所用修整工具、修整砂輪的縱向進給量等有密切關系。砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層已鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。另外，修整砂輪的縱向進給量越小，修出的砂輪上的切削微刃越多，等高性越好，從而獲得較小的表面粗糙度值。
2. 工件材質有關的因素
包括材料的硬度、塑性、導熱性等。
工件材料的硬度、塑性、導熱性對表面粗糙度有顯著影響。鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。
3. 加工條件有關的因素
包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統的精度與抗振性等。
磨削用量有砂輪速度、工件速度、磨削深度和縱向進給量等。提高砂輪速度，就可能使表層金屬塑性變形的傳播速度跟不上磨削速度，材料來不及變形，從而使磨削表面的表面粗糙度值降低示。工件速度增加，塑性變形增加，表面粗糙度值增大。磨削深度和縱向進給量越大，塑性變形越大，從而增大了表面粗糙度值。砂輪磨削時溫度高，熱的作用占主導地位，因此切削液的作用十分重要。采用切削液可以降低磨削區溫度，減少燒傷，沖去落的砂粒和切屑，以免劃傷工件，從而降低表面粗糙度值。但必須選擇適當的冷卻方法和切削液。
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