《纳米氧化锆陶瓷精密磨削温度场建模及有限元仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米氧化锆陶瓷精密磨削温度场建模及有限元仿真（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、纳米氧化锆陶瓷精密磨削温度场建模及有纳米氧化锆陶瓷精密磨削温度场建模及有限元仿真限元仿真-主习:嗣与司罚蔼裔判ITopics:PrecisionUltra-PrecisionGrinding纳米氧化锆陶瓷精密磨削温度场建模及有限元仿真刘占瑞李长河(青岛理 S-大学机械工程学院,山东青岛 266033)摘要:在分析纳米氧化锆陶瓷材料加工性能基础上,建立了纳米氧化锆精密磨削温度场理论模型,应用ANSYS 软件在不同磨削工况下对三维模型进行仿真分析,结果表明:随着砂轮切入工件,工件的温度急剧上升,然后趋于平缓,在工件表面形成极高的温度梯度.若工件足够长.会存在一个稳定区;随着磨削切深增大,磨削弧区形
2、成局部高温,造成工件的烧伤.关键词:纳米氧化锆陶瓷磨削温度场有限元仿真ModelingandSimulationofTemperatureFieldofNanometerZirconiaCeramicsPrecisionGrindingLIUZhanrui,LIChanghe(SchoolofMechanicalEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,CHN)Abstract:BasedonanalyaingthemachiningperformanceofNanometerZirconiaCeramics-itspre
3、cisiongrindingtemperaturefieldtheorymodelisestablished.ANSYSsoftwareisusedforthreedimensionsmodelsimulationanalgzeunderdifferentoperatingconditions.Thissimulationresultsalsoindicatethatthework-piecepeaktemperaturerisesrapidlywhengrindingwheelfirstengageswiththeworkpieceandasteady-stateregionexistsif
4、theworkpieceislongenough.Thetemperatureofthegrindingcontactzoneisincreasingwiththedepthofgrindingrising,whichcancauseworkpieceburned.Keywords:NanometerZirconiaCeramics;Grinding;TemperatureField;FiniteElementSimulation随着工业技术的发展,陶瓷材料以其高强度,高硬度,高化学稳定性,低膨胀系数和耐磨损性能被广泛应用在机械,冶金,化工,能源以及生物工程等领域.由于陶瓷材料的特殊物理化学性
5、能决定了其加工难度,针对陶瓷材料的加工设备以及刀具必须具有更高的硬度,这样才能实现陶瓷材料的加工.由于工程陶瓷材料的硬脆性能,与金属材料完全不同的性质,难以用常规的金属切削方法加工;并且大多数陶瓷又是电的不良导体,一般也不适用于电火花加工等电加工方法,这使得陶瓷材料的加工受到了很大的限制,阻碍了陶瓷材料的广泛应用.陶瓷材料的加工方式主要分为机械加工,电加工,复合加工,化学加工,高能束加工以及辅助能量法加工.机械加工包括磨削加工,抛光加工,研磨加工,珩磨加工等;特种加工包括激光加工,电火花加工,超声加工,水切割加工以及加热辅助加工等.超声加工是 20 世纪 6O 年代英国 Hawell 原子能研
6、究中心提出超声旋转加工法,后来美国,前苏联等国都相继开展了这方面的研究.20 世纪 8O 年代初美国Branson 公司研制成功的 UMT5 型加工机是功能比较齐全,性能优越的先进代表.1996 年天津大学研制的陶瓷小孔超声波磨削加工机床,采用了无冷却压电陶瓷换能器,与普通的超声加工相比,效率可提高 500倍.ELID 磨削是一种在加工过程中使用电解修整砂轮和常规机械磨削相结合的新型磨削方法.1987 年该技术首先由日本物理化学研究所的 Hitoshiohmori 等人提出,他们采用微细磨粒铸铁纤维基结合剂金刚石砂轮,对硅片进行精密加工;采用普通机床在磨削过程中进行砂轮在线修整,实现硅片的镜面
7、磨削【3.陶瓷材料的加工,磨削功率较大,去除单位体积的材料需要消耗很高的能量,这些能量除少量传递给周围介质外,绝大部分都传人工件中.由于陶瓷材料的导热系数较小,所以这些能量难以向工件的深度传递,造成了工件表面的能量聚集,形成表面局部高温.过嘲家自然科学基金项日(50875138);山尔省自然科学基金重点项目(Z2008F11)和泰山学者专项经费资助项目2ow9高的温度会导致陶瓷材料的表面烧伤,工件表面产生残余拉应力,从而降低疲劳强度,降低工件尺寸精度和形状精度 J.氧化锆是一种具有高熔点,高沸点,导热系数小,耐磨性好,抗腐蚀性能优良的无机非金属材料,已广泛用于制造结构陶瓷,功能陶瓷,压电陶瓷,
8、电子陶瓷,生物陶瓷,高温光学组件,磁流体发电机等高科技产品,是 2l 世纪最有发展前途的功能材料之一.氧化锆陶瓷材料以其极佳的生物相容性,耐磨损耐腐蚀性和美学性能成为理想的医用修复材料,广泛应用于口腔修复及生物关节制造.但其固有的脆性限制了其临床应用,随着科技的发展特别是纳米技术的进步,纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的最有效途径.纳米陶瓷相对普通陶瓷来说,其断裂韧性有了很大的提高,对材料的显微塑性去除机理提供了有力的保证.目前针对纳米陶瓷的磨削加工研究报道还不是很多,其加工的机理以及表面的完整性有待于进一步深入的探索研究.本文利用 ANSYS 有限元分析软件针对纳米氧化锆陶瓷的磨削温度进行了仿真
9、分析,并对不同磨削工况下的温度场进行了对比,讨论了磨削参数对磨削温度的影响.1 纳米氧化锆陶瓷磨削加工传热模型关于陶瓷材料磨削温度场的研究一般都是采用理论与实验相结合的方式.自 1942 年,Jaeger 建立经典的移动热源模型以来 J,很多学者在此基础之上逐步将热源模型加以完善,使磨削加工的理论研究与实际加工相吻合.1952 年,Outwater 和 Shaw 实现了热源带在工件表面的移动模型,并假设磨削热主要产生在剪切面上.1988 年,Lavine 建立了能量分配模型与微量热分析相结合,他将砂轮和冷却液看做一个整体在工件的表面上移动,通过工件表面的温度来计算磨削弧区的能量分配以及对流换热
10、系数.1.1 磨削温度场模型磨削加工中砂轮磨粒与工件之间的相互作用是非常复杂的,难以精确地测量和分析每一颗磨粒受力以及热量的分散情况.针对磨削温度场的研究通常采用的方法:有限元法(FEM)和有限差分法(FDM).它们均是将磨削加工的过程进行简化,将工件视为半无限大且各表面绝热的边界条件,来研究瞬态的传热问题.本文采用有限元分析的方法来研究纳米氧化锆陶瓷的磨削温度场分布情况.对陶瓷材料进行精密加工时,一般切深较小,故热流密度可视为均匀分布的带状热源,磨削温度场简化模型见图 1.;.图 1 陶瓷磨削加工有限元分析模型0Z传热学的基本理论可以将工件的温度场分布简化成三维传热问题_8J:磨削弧区瞬态导
11、热微分方程为阳 TaT0 丁,3T【+_JpI)此方程即为常物性无内热源的三维瞬态导热微分方程.式(1)中,等号左边为传人微元体的总热量,右边为微元体升温需要的热量.其中:为物体的瞬态温度;t 为过程进行的时间;k 为材料的导热系数;p 为材料的密度;C 为材料的定压比热.确定边界条件和初始条件.磨削表面的边界条件由移动热源位置决定,其他表面为绝热边界.由于采用的材料为纳米氧化锆陶瓷,导热性能较差,故工件与周围空气之间热交换可以忽略不计,即工件所有表面的对流换热系数均为零.初始条件设定 T=20.1.2 传入工件热流分配比率磨削热产生的基本原理就是磨削过程中,在砂轮表面分布着一些不规则磨粒与工
12、件表面发生滑擦,耕犁,切削,在整个过程中,产生很高的能量.设生成的总热量热流密度为 q,这部分热量除少量传入碎屑,磨削冷却液以外,绝大部分按一定的比例传人工件和砂轮中.设传人工件的能量热流密度为 q 其中:q=F.L/(f.b)(2)q=q?R(3)式中:F 为切向磨削力;为砂轮线速度;Ig 为磨削弧区的弧长;b 为砂轮的宽度;R 为总热量传人工件中的比例系数.磨削加工氧化锆陶瓷的过程中,砂轮表面的磨粒分布没有任何的规律,很难完成针对单粒磨粒的磨削力的分析和计算.众多国内外学者建立了磨削力的理论模型,来揭示整个陶瓷的磨削加工过程.西北工业大学的任敬心教授针对磨削工艺参数建立氧化锆陶瓷磨削的经验
13、计算公式如下:F,:60.789.WI.m.(4)根据 Hahn 提出的单颗磨粒在工件表面滑动的分配模型,可以计算出磨粒的对流换热系数.该模型与考虑热量流入磨屑和磨削液的分析无关,根据 Hahn(5)式中:为磨粒的导热系数;r0 为磨粒的有效接触半径(rn=15I.Lm,该值是典型磨粒的有效接触半径值);(c)为工件材料的接触系数.从磨削热的产生效应来看,在磨削区的每一颗磨粒都可以看做一个持续发出热量的点热源,而整个磨削区的磨粒综合又可以看做是一个持续发热的面热源.工件温度上升就是这些热源在工件中传递能量的结果.2 纳米氧化锆陶瓷的物理性能纳米氧化锆陶瓷的物理性能不同于传统的陶瓷材料,在硬度以
14、及密度等方面都有很大的改善,尤其是其断裂韧性有很大的提高.具体物理性能见表 1.表 1ZO 的物理性能参数密度/硬度断裂韧性热传导率弹性模量比热材料(g/mm)HRAHv/MPa?m/(W/(m?k)/GPa/(J/(kg?)纳米 zO25.8290175012.33.52.5X104660普通 ZO25.7l5008102.32.1X10630根据表 1 可发现,纳米陶瓷材料相对于普通的结构陶瓷料来说,许多物理性能都发生了改变.普通 z0 材料的维氏硬度一般在 1500HV 左右,而且断裂韧性很低,在加工的过程中易断裂或产生裂纹.而纳米氧化锆陶瓷的硬度能够达到 1750HV 以上,提高了约2
15、0%.硬度提高但是其断裂韧性也相应的提高了,能够达到 12MPa?/m 以上,韧性的提高使得材料的去除方式发生了很大的转变,为陶瓷材料的韧性去除提供了有力的保障.3 温度场有限元仿真在陶瓷材料的精密磨削加工过程中,由于切深较小,因此可以将已加工表面和未加工表面看做一个平面,建立三维工件模型.然后将模型划分为有限个独立的单元体,对单元体定义材料的属性,加载移动的载荷,最后进行方程计算和结果的分析.3.1 建立有限元模型如何建立一个符合实际的有限元模型是 ANSYS有限元分析成功的关键一步.如果模型建立的不好会直接导致计算的失败或失真,对于后期实验根本没有任何的指导意义.因此建立有效的几何模型必须
16、结合实际实验工况.为防止模型划分有限元网格后数据的运算量过大,在保证仿真计算精度的前提下,本模型尺寸为长 8mm,宽 2mm,高 1m111.3.2 划分网格在有限元分析中,网格划分精度直接影响着计算精度,网格划分的越细,计算的精度就越高,但是同时会花费大量的时间.所以说在选择网格尺寸的时候,既要考虑精度的要求,又要考虑计算效率的问题.由于陶瓷材料的热传导率很小,并且砂轮在工件表面移动的速度很快,可视为快速移动热源问题.在工件表面与砂轮接触的区域时间非常的短暂,所以说,如果网格划分的过大,那么就会导致很大的计算误差.因此,本模型中网格的尺寸选为 0.1mrn 用来满足精度的需要.3.3 模型加载(1)时间步长的确定为了表达在瞬态热分析中随时问变化的载荷,首先必须将载荷一时间曲线分为载荷步.载荷一时间曲线中的每一个拐点即为一个载荷步.对于每一个载荷步,必须定义载荷值和时间值,同时规定其为渐变载荷还是阶跃载荷.并且在非线性分析中,计算出每一个载荷步需要多个子步来完成.时间步长的大小关系到计算的精度.一般,步长越小,计算精度越高,同时计算时间越长
