平面磨削加工溫度場的有限元分析研究

張璐

摘 要：磨削加工是機械制造中重要的加工方法，表面退火、燒傷是容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，本文利用APDL參數(shù)化編程的有限元計算法，對磨削溫度場進行研究，分析磨削溫度場的變化規(guī)律，并進一步研究磨削參數(shù)對溫度場的影響，分析結(jié)果為實際磨削加工提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：APDL;磨削溫度場;有限元仿真;磨削參數(shù)

中圖分類號：TG582 ?文獻標識碼：A

磨削加工是重要的機械加工方法，廣泛應用于零件表面的精密加工，像淬硬鋼、鈦合金、硬質(zhì)合金等硬度很高的材料，磨削是唯一的精加工方法。磨削時，砂輪對工件表面除切削作用外，還有劇烈的摩擦，產(chǎn)生大量的熱量。由于砂輪自身導熱性差，有60%～80%的熱量傳入工件，導致磨削區(qū)域溫度急劇升高，容易引起表面退火或燒傷。本文以硬質(zhì)合金材料YG8為例，利用有限元的方法，對磨削區(qū)域溫度場進行分析研究，對提高磨削加工質(zhì)量和效率有重要的意義。

ANSYS有兩種操做方式，一種是圖形操作界面，另一種是APDL參數(shù)化編程，但由于磨削溫度場分析屬于瞬態(tài)熱分析，需要多次分析計算，并且要加載移動載荷，整個過程比較繁瑣，應用APDL就很好的解決了這些問題，可以將編制好的代碼寫入.txt文檔進行逐步的調(diào)試，完成第一次分析后保存，在進行其它分析時只需要對其需要改動需要改動的數(shù)據(jù)，大大的節(jié)約了分析時間。

1 工件有限元模型的建立

本文的分析選擇具有三維傳熱功能的六面體八節(jié)點熱單元SOLID70，材料為YG8，由于硬質(zhì)合金材料本身熱漲系數(shù)非常小，因此它的密度幾乎是不變的，所以忽略材料熱導率、密度以及比熱容隨時間變化而變化的影響。建立8mm×6mm×4mm10*8*6mm的長方體工件模型對模型進行網(wǎng)格劃分，因為磨削區(qū)域溫度是瞬態(tài)變化，磨削區(qū)域內(nèi)隨著熱源的移動會快速升溫，同時降溫也很快，這個區(qū)域內(nèi)存在著很大的溫度梯度，網(wǎng)格劃分的過大，計算結(jié)構(gòu)會帶來過大誤差，所以在工件表面網(wǎng)格劃分緊密一些，同時為了節(jié)省計算時間，在遠離工件表面的區(qū)域，網(wǎng)格劃分梳一些，綜合考慮工件有限元模型網(wǎng)格劃分為梯度網(wǎng)格狀，劃分梯度網(wǎng)格時，利用lesize命令，選擇需要設(shè)置間隔比率的線號，要在某個方向上按照一定比例遞增網(wǎng)格的尺寸，劃分網(wǎng)格代碼如表1所示，結(jié)果如圖1所示。

2 磨削溫度場求解

2.1 確定熱源模型和邊界條件

熱源模型有均布熱載荷和三角形熱載荷兩種熱載荷方式，在進行有限元分析時加載三角形熱載荷能更準確模擬出磨削溫度場的實際情況。砂輪磨粒可以看做切削刃，磨削過程則可以看成由許多切削刃的切削過程的綜合，砂輪上磨刃是隨機排布的，因此可以將這些隨機分布的磨刃看成許多的點熱源的集合，所以就把磨削接觸區(qū)域看成一個連續(xù)的平面熱源。磨削熱仿真分析時，給磨削區(qū)域施加一梯度載荷來反應三角形熱源載荷的施加。

利用后置處理命令，得到不同載荷步溫度場分布云圖，圖2為第10個載荷步溫度場分布云圖，從圖中可以看出從溫度場的分布云圖可以看到隨著磨削時間的增加，工件表面溫度在不斷的升高;在工件磨削區(qū)域?qū)挾确较颍瑴囟然緵]有變化;砂輪與工件接觸區(qū)中心位置，溫度最高。已加工表面與空氣接觸，空氣的散熱性相對較差，該區(qū)域溫度變化比較平緩;未加工區(qū)域溫度接近環(huán)境溫度。

從溫度云圖側(cè)面可以觀察到靠近加工區(qū)域的溫度梯度較密，而離加工區(qū)域較遠的地方溫度梯度疏。磨削過程中熱源在工件的表面移動，當熱源移動到某處時，該處的溫度達到最高，并且溫度上升的速度非常快;移動熱源離開后，該處的溫度下降，下降的速度明顯小于上升的速度。

3.2 磨削參數(shù)對溫度場的影響

為研究不同磨削參數(shù)磨削溫度場的影響，設(shè)置不同的砂輪線速度、工件移動速度和磨削深度進行分析，參數(shù)和計算結(jié)果如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著砂輪線速度的增加，磨削溫度呈上升趨勢，這因為砂輪線速度增高，單位時間內(nèi)參與切削的磨粒增多，砂輪與工件間摩擦加劇，摩擦熱大量增加，使磨削區(qū)域的表面溫度明顯升高;同時可以看出砂輪線速度增加到一定程度，磨削區(qū)域溫度反而會下降，其主要原因是單顆磨粒切削厚度減少，砂輪與工件之間的摩擦力減小，磨削熱量減少。所以在選擇磨削速度時，在保證工件表面不產(chǎn)生燒傷和退火的條件下，盡可能可選大的磨削速度。隨著磨削深度的增加，可以看出磨削區(qū)域的溫度也升高，在不影響加工效率的情況下適當減小磨削深度，這樣可以改善工件的表面質(zhì)量;隨著工件移動速度的增加，工件表面溫度明顯降低，因為工件移動速度增加，熱源在工件表面移動速度也增加，熱源在工件表面每一個時間步作用時間減少，使工件表面溫度降低，磨削加工時可選用較大的工件移動速度。

4 總結(jié)

本文主要通過有限元APDL參數(shù)化編程的方法，以硬質(zhì)合金材料YG8為研究對象，對平面磨削溫度場進行了研究，進一步總結(jié)出磨削溫度場的整體分布的規(guī)律，同時分析了磨削參數(shù)對磨削溫度場的影響，為實際磨削加工選擇磨削參數(shù)提供理論依據(jù)，具有重要實際意義。

參考文獻：

[1]貝季瑤.磨削溫度的分析與研究[J].上海交通大學學報，1964（3）.

[2]裴志超.硬質(zhì)合金磨削溫度場及磨削表面摩擦磨損性能研究[D].長沙：湘潭大學，2013.

[3]張文麗.基于ANSYS的磨削熱分析中移動熱源加載技巧[J].現(xiàn)代制造工程，2007（3）.

[4]龔曙光，謝桂蘭，等.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5]陶國林，蔣顯全，黃靖.硬質(zhì)合金刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].金屬功能材料，2011（3）.

[6]周德旺，周志雄，毛聰，劉金.平面磨削溫度場三維有限元仿真及其實驗研究[J].制造技術(shù)與機床，2008（12）.