基于ANSYS的平面磨削溫度場的有限元仿真

楊洪波，趙恒華，劉偉銳

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001)

0 引言

磨削是一種得到廣泛應(yīng)用的精密加工方法。在磨削過程中會產(chǎn)生大量的磨削熱，其中大部分(約60% ～95%)磨削熱將傳入工件，這樣磨削區(qū)形成了極高的溫度，工件表層的金相組織會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)生工件尺寸及形狀誤差，降低工件的使用壽命和可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸸ぜ谋砻鏌釗p傷和裂紋，并損害砂輪［1］。因此，磨削溫度是影響磨削表面品質(zhì)的最重要的參數(shù)指標(biāo)之一。研究磨削溫度和磨削區(qū)的溫度分布狀況對有效控制熱損害，深入探究磨削機(jī)理和被磨工件表面的完整性具有非常重要的意義［2］。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和有限元的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以模擬磨削過程、進(jìn)行磨削基本參數(shù)的仿真，分析不同條件下的磨削區(qū)溫度場的分布狀況，可以直觀的得出不同磨削參數(shù)對磨削溫度場的影響。針對平面磨削中的均布熱源模型，運(yùn)用ANSYS軟件的熱分析模塊進(jìn)行了溫度場的仿真分析。

1 磨削溫度場數(shù)學(xué)模型的建立(圖1)

圖1 平面磨削的傳熱模型

1)砂輪與工件接觸區(qū)是許多磨粒隨機(jī)切削的過程，它是許多隨機(jī)磨粒點(diǎn)熱源集合而成的一個(gè)面熱源。現(xiàn)假設(shè)它是一個(gè)持續(xù)而均勻的恒定面熱源，其單位時(shí)間單位面積內(nèi)發(fā)熱量為 qt［3］:

式中，b是磨削寬度，lc是接觸弧長，F(xiàn)t是切向磨削力，vs是砂輪線速度。

2)磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量傳入工件的百分比為Rw，傳入工件的熱量為qm，以工件速度vw沿工件加工表面移動，則熱源的發(fā)熱強(qiáng)度qm為:

3)假設(shè)磨削過程中砂輪無磨損，AB為砂輪與工件的接觸弧長lc即為面熱源的長度:

式中，ds為砂輪直徑，ap為磨削深度。由于ap較接觸弧長lc很小，故把面熱源近似地看做平行于工件的運(yùn)動方向［4］。

4)研究磨削溫度主要是考慮磨削區(qū)工件表面的最高溫度。而超高速磨削過程中達(dá)到最高溫度的時(shí)間是很短的，一般僅有百分之幾秒，這是由于工件進(jìn)給速度高，即熱源運(yùn)動速度高。

此磨削溫度場滿足三維瞬態(tài)溫度場模型，因此熱傳導(dǎo)方程為:

最后一項(xiàng)為0，因?yàn)槟ハ鳒囟葓鰶]有內(nèi)熱源。式中，Ω為整個(gè)域，它由兩類邊界條件組成，即:

kx=hf(Tf-T0)(在 Γ3邊界上)

運(yùn)用有限單元法，得到濕磨時(shí)磨削溫度場的有限元法數(shù)學(xué)模型為:

2 溫度場的有限元動態(tài)仿真

1)首先需要建立工件的有限元模型，有限元模型可利用ANSYS直接創(chuàng)建，也可以借助于其他軟件創(chuàng)建，然后利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口將模型直接導(dǎo)入進(jìn)行分析。本文采用ANSYS直接創(chuàng)建模型，取工件長度為L=10mm，寬度為B=5mm，高度為H=4mm，加工方向在長度方向上，對工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，表層網(wǎng)格劃分略密(見圖2)。設(shè)定單元類型為SOLID70，此單元為8節(jié)點(diǎn)六面體單元。

圖2 工件的有限元模型

磨削溫度場各種參數(shù)、系數(shù)以及工況情況見表1和表2。

表1 工件性能參數(shù)

表2 工件的磨削條件

2)假定工件的初始溫度與外界環(huán)境溫度一致，即初始條件T0=25℃，工件各面與空氣絕熱，只在工件表面添加一個(gè)移動熱源。因?yàn)椴荒芡瑫r(shí)在某一單元表面同施加對流和熱流密度，故在表面附著一表面熱效應(yīng)單元SURF152，此處選用無額外節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建表面效應(yīng)單元。由于ANSYS本身不能直接加載移動熱源，所以把這一過程離散化，在極短的時(shí)間內(nèi)在某一磨削區(qū)加載一固定熱流，在下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)移至另一區(qū)域加載固定熱源，并把上一次所得的結(jié)果作為這一次的初始條件，這是解決某些連續(xù)性問題的一種方法［5］，采用均布熱源模型［6］，經(jīng)過 20次迭代和逐步加載，可得到磨削區(qū)溫度的分布圖。

3 磨削溫度場的仿真結(jié)果及分析

磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量會引起工件的溫度升高，由于熱源在工件表面移動，由此產(chǎn)生的溫度場也在不停移動，從而導(dǎo)致工件各個(gè)位置的溫度不斷變化。通過ANSYS的通用后處理程序POST1，可以清楚的看到磨削過程中溫度場的變化。得知越靠近熱源磨削溫度越高(圖3)。

圖3 熱源溫度場分布

3.1 磨削各參數(shù)對磨削區(qū)溫度場的影響

a)砂輪速度對磨削溫度的影響

隨著砂輪線速度的增大，磨削溫度增大。這是由于增大砂輪線速度，單位時(shí)間內(nèi)參與工作的磨粒數(shù)增多，磨削厚度變薄，切屑變形能增大，產(chǎn)生滑擦和耕犁的磨粒數(shù)增多，使摩擦加劇，因而導(dǎo)致磨削溫度升高。由圖4(a)、(b)、(c)可知，對于鈦合金磨削時(shí)，磨削溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，證明了鈦合金磨削存在臨界磨削速度，臨界磨削速度約為120m/s。

圖4 不同砂輪速度溫度場分布

b)工件速度對磨削區(qū)溫度場的影響

由圖4(c)、圖5可知，磨削溫度隨著工件進(jìn)給速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。這是因?yàn)椋S著工件進(jìn)給速度的增加，其材料去除率也相應(yīng)提高，磨削弧區(qū)內(nèi)的熱源強(qiáng)度增大，但卻使熱源在工件表面上的移動速度加快，傳入工件的磨削熱減少，因此磨削溫度有變小的趨勢。

圖5 vs=150 m/s，vw=3 m/min，ap=0.1 mm 溫度場分布

c)磨削深度對磨削區(qū)溫度場的影響

由圖6(a)、(b)可知，磨削溫度隨著磨削深度的增大而升高，這是因?yàn)殡S著磨削深度的增加，材料的去除率也相應(yīng)提高，磨削力和接觸弧長都增大，同時(shí)消耗的磨削能量也隨之增大，而大部分的磨削能均在磨削弧區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量，故在工件和砂輪的接觸弧區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多，從而導(dǎo)致磨削溫度的升高。同時(shí)增大磨削深度，由于切屑變形力和摩擦力均增大。因此磨削深度的增加必然導(dǎo)致在磨削弧區(qū)內(nèi)磨削溫度的升高。

圖6 不同磨削深度溫度場分布

3.2 不同深度的節(jié)點(diǎn)溫度的變化

利用ANSYS的POST26后處理器可以得到在不同深度磨削區(qū)任意各節(jié)點(diǎn)的磨削溫度變化曲線(圖7)［7］，由圖7可知，離熱源越近，溫度越高。而且工件表面的磨削溫度很高，而下層的工件溫升不高。

圖7 距工件表面不同深度節(jié)點(diǎn)的溫度場

4 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS軟件對鈦合金平面磨削過程中磨削區(qū)的溫度場進(jìn)行仿真分析能在一定范圍內(nèi)較準(zhǔn)確的模擬出磨削區(qū)的溫度場，有助于研究磨削機(jī)理。本文研究了移動熱源的加載方式，通過ANSYS參數(shù)化的循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)移動熱源的加載，使熱源與實(shí)際熱源更加逼近。針對不同參數(shù)條件下的溫度場仿真分析，定性的分析了磨削參數(shù)對磨削區(qū)溫度場的影響，有助于及時(shí)調(diào)整磨削參數(shù)，對磨削過程進(jìn)行工藝優(yōu)化，避免磨削燒傷。

［1］任敬心，華定安.磨削原理［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999，2:31-133.

［2］嚴(yán)勇，郭力，張國華.金屬材料超高速磨削溫度場的實(shí)驗(yàn)研究與有限元仿真［J］.機(jī)床與液壓，2012.

［3］嚴(yán)勇.金屬材料超高速磨削溫度場的有限元仿真［D］.長沙:湖南大學(xué)碩士論文，2009.

［4］同曉芳.磨削區(qū)溫度場的有限元分析及仿真［D］.武漢:武漢理工大學(xué)碩士論文，2007.

［5］張冬梅，孟超.磨削溫度場的有限元模擬及仿真［J］.工具技術(shù)，2009.

［6］楊剛，韓正銅，杜長龍.磨削熱源模型的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械制造，2008.

［7］張朝暉.ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析［M］.北京:中國鐵道出版社.2007.

［8］李建壯，龐子瑞，原所先，等.超高速磨削工件表面溫度場分析［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010.

［9］夏啟龍，周志雄，黃向明，等.平面磨削熱源模型的的仿真與比較研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010.

［10］郭力，何利民.鈦合金材料超高速磨削濕式溫度場的有限元仿真［J］.精密制造與自動化，2008.

［11］G.Z.Xie，H.huang.An experimental investigation of temperature in high speed deep grinding of partially stabilized zirconia［J］.International journal of machine tools ＆ Manufacture，48(2008):1562-1568.

［12］Li Guo，Guizhi Xie，BO Li.Grinding Temperature in High Speed Deep Grinding of Engineering Ceramic［J］.International Journal of Abrasive Technology，2009.2(3):245-258.

［13］郭力，W.Brian Rowe.高效深磨技術(shù)中溫度的理論分析［J］.精密制造與自動化，2004(2).