張璐

摘 要：磨削加工是機(jī)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(jì)算法，對(duì)磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，分析磨削溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，并進(jìn)一步研究磨削參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，分析結(jié)果為實(shí)際磨削加工提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：APDL;磨削溫度場(chǎng);有限元仿真;磨削參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG582 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

磨削加工是重要的機(jī)械加工方法，廣泛應(yīng)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(shí)，砂輪對(duì)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(dǎo)熱性差，有60%～80%的熱量傳入工件，導(dǎo)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(duì)磨削區(qū)域溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究，對(duì)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(chǎng)分析屬于瞬態(tài)熱分析，需要多次分析計(jì)算，并且要加載移動(dòng)載荷，整個(gè)過程比較繁瑣，應(yīng)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(jìn)行逐步的調(diào)試，完成第一次分析后保存，在進(jìn)行其它分析時(shí)只需要對(duì)其需要改動(dòng)需要改動(dòng)的數(shù)據(jù)，大大的節(jié)約了分析時(shí)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(diǎn)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(dǎo)率、密度以及比熱容隨時(shí)間變化而變化的影響。建立8mm×6mm×4mm10*8*6mm的長(zhǎng)方體工件模型對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)槟ハ鲄^(qū)域溫度是瞬態(tài)變化，磨削區(qū)域內(nèi)隨著熱源的移動(dòng)會(huì)快速升溫，同時(shí)降溫也很快，這個(gè)區(qū)域內(nèi)存在著很大的溫度梯度，網(wǎng)格劃分的過大，計(jì)算結(jié)構(gòu)會(huì)帶來過大誤差，所以在工件表面網(wǎng)格劃分緊密一些，同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在遠(yuǎn)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(shí)，利用lesize命令，選擇需要設(shè)置間隔比率的線號(hào)，要在某個(gè)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(chǎng)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(jìn)行有限元分析時(shí)加載三角形熱載荷能更準(zhǔn)確模擬出磨削溫度場(chǎng)的實(shí)際情況。砂輪磨?？梢钥醋銮邢魅校ハ鬟^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(jī)排布的，因此可以將這些隨機(jī)分布的磨刃看成許多的點(diǎn)熱源的集合，所以就把磨削接觸區(qū)域看成一個(gè)連續(xù)的平面熱源。磨削熱仿真分析時(shí)，給磨削區(qū)域施加一梯度載荷來反應(yīng)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(chǎng)分布云圖，圖2為第10個(gè)載荷步溫度場(chǎng)分布云圖，從圖中可以看出從溫度場(chǎng)的分布云圖可以看到隨著磨削時(shí)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(duì)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(yuǎn)的地方溫度梯度疏。磨削過程中熱源在工件的表面移動(dòng)，當(dāng)熱源移動(dòng)到某處時(shí)，該處的溫度達(dá)到最高，并且溫度上升的速度非?？?移動(dòng)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(duì)溫度場(chǎng)的影響

為研究不同磨削參數(shù)磨削溫度場(chǎng)的影響，設(shè)置不同的砂輪線速度、工件移動(dòng)速度和磨削深度進(jìn)行分析，參數(shù)和計(jì)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(shì)，這因?yàn)樯拜喚€速度增高，單位時(shí)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(shí)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(huì)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(shí)，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(dāng)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(dòng)速度的增加，工件表面溫度明顯降低，因?yàn)楣ぜ苿?dòng)速度增加，熱源在工件表面移動(dòng)速度也增加，熱源在工件表面每一個(gè)時(shí)間步作用時(shí)間減少，使工件表面溫度降低，磨削加工時(shí)可選用較大的工件移動(dòng)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(duì)象，對(duì)平面磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，進(jìn)一步總結(jié)出磨削溫度場(chǎng)的整體分布的規(guī)律，同時(shí)分析了磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度場(chǎng)的影響，為實(shí)際磨削加工選擇磨削參數(shù)提供理論依據(jù)，具有重要實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]張文麗.基于ANSYS的磨削熱分析中移動(dòng)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(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5]陶國(guó)林，蔣顯全，黃靖.硬質(zhì)合金刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[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(chǎng)三維有限元仿真及其實(shí)驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008（12）.