基于ANSYS的平面磨削温度场的有限元仿真

杨洪波，赵恒华，刘伟锐

(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001)

0 引言

磨削是一种得到广泛应用的精密加工方法。在磨削过程中会产生大量的磨削热，其中大部分(约60% ～95%)磨削热将传入工件，这样磨削区形成了极高的温度，工件表层的金相组织会发生变化，从而导致产生工件尺寸及形状误差，降低工件的使用寿命和可靠性，严重时甚至会引起工件的表面热损伤和裂纹，并损害砂轮［1］。因此，磨削温度是影响磨削表面品质的最重要的参数指标之一。研究磨削温度和磨削区的温度分布状况对有效控制热损害，深入探究磨削机理和被磨工件表面的完整性具有非常重要的意义［2］。随着计算机模拟技术和有限元的发展，利用计算机仿真技术可以模拟磨削过程、进行磨削基本参数的仿真，分析不同条件下的磨削区温度场的分布状况，可以直观的得出不同磨削参数对磨削温度场的影响。针对平面磨削中的均布热源模型，运用ANSYS软件的热分析模块进行了温度场的仿真分析。

1 磨削温度场数学模型的建立(图1)

图1 平面磨削的传热模型

1)砂轮与工件接触区是许多磨粒随机切削的过程，它是许多随机磨粒点热源集合而成的一个面热源。现假设它是一个持续而均匀的恒定面热源，其单位时间单位面积内发热量为 qt［3］:

式中，b是磨削宽度，lc是接触弧长，Ft是切向磨削力，vs是砂轮线速度。

2)磨削时产生的热量传入工件的百分比为Rw，传入工件的热量为qm，以工件速度vw沿工件加工表面移动，则热源的发热强度qm为:

3)假设磨削过程中砂轮无磨损，AB为砂轮与工件的接触弧长lc即为面热源的长度:

式中，ds为砂轮直径，ap为磨削深度。由于ap较接触弧长lc很小，故把面热源近似地看做平行于工件的运动方向［4］。

4)研究磨削温度主要是考虑磨削区工件表面的最高温度。而超高速磨削过程中达到最高温度的时间是很短的，一般仅有百分之几秒，这是由于工件进给速度高，即热源运动速度高。

此磨削温度场满足三维瞬态温度场模型，因此热传导方程为:

最后一项为0，因为磨削温度场没有内热源。式中，Ω为整个域，它由两类边界条件组成，即:

kx=hf(Tf-T0)(在 Γ3边界上)

运用有限单元法，得到湿磨时磨削温度场的有限元法数学模型为:

2 温度场的有限元动态仿真

1)首先需要建立工件的有限元模型，有限元模型可利用ANSYS直接创建，也可以借助于其他软件创建，然后利用ANSYS的数据接口将模型直接导入进行分析。本文采用ANSYS直接创建模型，取工件长度为L=10mm，宽度为B=5mm，高度为H=4mm，加工方向在长度方向上，对工件进行网格划分，表层网格划分略密(见图2)。设定单元类型为SOLID70，此单元为8节点六面体单元。

图2 工件的有限元模型

磨削温度场各种参数、系数以及工况情况见表1和表2。

表1 工件性能参数

表2 工件的磨削条件

2)假定工件的初始温度与外界环境温度一致，即初始条件T0=25℃，工件各面与空气绝热，只在工件表面添加一个移动热源。因为不能同时在某一单元表面同施加对流和热流密度，故在表面附着一表面热效应单元SURF152，此处选用无额外节点创建表面效应单元。由于ANSYS本身不能直接加载移动热源，所以把这一过程离散化，在极短的时间内在某一磨削区加载一固定热流，在下一个时间段内移至另一区域加载固定热源，并把上一次所得的结果作为这一次的初始条件，这是解决某些连续性问题的一种方法［5］，采用均布热源模型［6］，经过 20次迭代和逐步加载，可得到磨削区温度的分布图。

3 磨削温度场的仿真结果及分析

磨削区产生的热量会引起工件的温度升高，由于热源在工件表面移动，由此产生的温度场也在不停移动，从而导致工件各个位置的温度不断变化。通过ANSYS的通用后处理程序POST1，可以清楚的看到磨削过程中温度场的变化。得知越靠近热源磨削温度越高(图3)。

图3 热源温度场分布

3.1 磨削各参数对磨削区温度场的影响

a)砂轮速度对磨削温度的影响

随着砂轮线速度的增大，磨削温度增大。这是由于增大砂轮线速度，单位时间内参与工作的磨粒数增多，磨削厚度变薄，切屑变形能增大，产生滑擦和耕犁的磨粒数增多，使摩擦加剧，因而导致磨削温度升高。由图4(a)、(b)、(c)可知，对于钛合金磨削时，磨削温度呈现先上升后下降的趋势，证明了钛合金磨削存在临界磨削速度，临界磨削速度约为120m/s。

图4 不同砂轮速度温度场分布

b)工件速度对磨削区温度场的影响

由图4(c)、图5可知，磨削温度随着工件进给速度的增大呈现减小的趋势。这是因为，随着工件进给速度的增加，其材料去除率也相应提高，磨削弧区内的热源强度增大，但却使热源在工件表面上的移动速度加快，传入工件的磨削热减少，因此磨削温度有变小的趋势。

图5 vs=150 m/s，vw=3 m/min，ap=0.1 mm 温度场分布

c)磨削深度对磨削区温度场的影响

由图6(a)、(b)可知，磨削温度随着磨削深度的增大而升高，这是因为随着磨削深度的增加，材料的去除率也相应提高，磨削力和接触弧长都增大，同时消耗的磨削能量也随之增大，而大部分的磨削能均在磨削弧区内转化为热量，故在工件和砂轮的接触弧区内产生的热量增多，从而导致磨削温度的升高。同时增大磨削深度，由于切屑变形力和摩擦力均增大。因此磨削深度的增加必然导致在磨削弧区内磨削温度的升高。

图6 不同磨削深度温度场分布

3.2 不同深度的节点温度的变化

利用ANSYS的POST26后处理器可以得到在不同深度磨削区任意各节点的磨削温度变化曲线(图7)［7］，由图7可知，离热源越近，温度越高。而且工件表面的磨削温度很高，而下层的工件温升不高。

图7 距工件表面不同深度节点的温度场

4 结论

运用ANSYS软件对钛合金平面磨削过程中磨削区的温度场进行仿真分析能在一定范围内较准确的模拟出磨削区的温度场，有助于研究磨削机理。本文研究了移动热源的加载方式，通过ANSYS参数化的循环语句实现移动热源的加载，使热源与实际热源更加逼近。针对不同参数条件下的温度场仿真分析，定性的分析了磨削参数对磨削区温度场的影响，有助于及时调整磨削参数，对磨削过程进行工艺优化，避免磨削烧伤。

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