基于ANSYS的切削加工过程温度场的分析论文

1 论文题目 :基于 ANSYS 的 切削 加工过程 温度 场的分析 学生姓名： 所在院系： 机电学院 所学专业： 机械设计制造及其自动化 导师姓名： 完成时间： 2 摘 要 在切削金属过程中所消耗的能量几乎 90% 以上都转化为热 , 致使工件、切屑和刀具的温度都上升 , 其中刀具的温升与切削机理及切削参数密切相关 , 并且直接影响刀具的磨损及其使用寿命 .以传热学为基础 ,用有限差分数值方法 , 对二元切削加工过程中切削区域温度场进行了计算机模拟。并以金 刚石和硬质合金刀具切削钛合金为例 , 进行了切削温度计算。经 ANSYS 分析 , 模拟计算效果图 与实测切削温度值吻合良好。这不削 计算机模拟是可行的 ,同时也为探索难加工材料的切削加工特性提供了一种新的解析方法 ,可节省大量实验 ,为进一步预测最佳切削过程、指导新型刀具材料的开发奠定了基础。 关键 词 ： ANSYS， 切削温度 ， 解析预测， 有限差分 3 Abstract Based on heat transfer, by using a finite difference numerical method and per2sonal computer, temperature field at cut ting area in two dimensional machining processes is pre2dicted. Take machining titanium alloy by using diamond too l and carbide too l for examples, the cutting temperature is calculated. The calculated temperature is in good agreement with that measured. This indicates that computer simulation of cutting temperature is applicable. It also provides a new analytic method for the study of cutting and processing features of hard process2ing materials. A large amount of experiments will be saved thus. It lay a for p redict2ingthe optimum cut ting process and instructing the development of new cutter materials. Key words： ANSYS， Cut ting temperature， Analytic prediction， Finite difference 4 目 录 1 绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 研究切削温度的意义 . 1 1.3 切削温度 在国内外的研究现状 . 2 1.4 研究目的、意义和内容 . 2 2.ANSYS 软件简介 . 3 2.1 ANSYS 的定义 . 3 2.2 ANSYS 软件的内容 . 3 2.3 ANSYS 软件提供的分析类型 . 4 3 ANSYS 对物体的热分析 . 5 3.1 热分析简介 . 5 3.2 ANSYS 热分析特点 . 5 4 ANSYS 在实例中的应用 . 6 4.1 定义工作文件名和工作标题 . 6 4.2 定义单元类型 . 7 4.3 定义材 料性能参数 . 7 4.4 建模 . 10 4.5 划分网格 . 13 4.6 加载求解 . 15 4.7 查看结果 . 18 4.8 结果分析 . 18 5 致谢 . 19 6 参考文献 . 20 1 1 绪论 1.1 概述 在机械制造业中 ,虽然已发展出各种不同的零件成型工艺 ,但目前仍有 90 %以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中 ,机床作功转换为等量的切削热 ,这些切削热除少量逸散到周围介质中以外 ,其余均传入刀具、切屑和工件中 ,刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损 ,引起工件热变形 ,严重时甚至引起机床热变形。因此 ,在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时 ,对切削 温度的测量 分析 非常重要。 使用 ANSYS 测量 分析 切削温度时 ,既可测定切削区域的平均温度 ,也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。 1.2 研究切削温度的意义 切削 加工 时，切削温度对工作前角、刀 屑平均摩擦系数 ， 单位切削功率及切屑变形系数的影响 都是很大的 。在切削温度低 600 的情况下，切削温度直接影响积屑瘤的消长，从而影响到积屑瘤前角，所以工作前角随切削温度的变化而变化。 刀 屑平均摩擦系数随切削温度变化原因有二。其一是积屑瘤前角随切削速度而变化，当 300 时，积屑瘤前角随着温度的提高而增大；当 300 600 时，积屑瘤前角随切削温度的升高而减小。其二是：刀 屑界面上切屑底层金属的强度随切削温度的上升而下降；当 600 时，刀屑摩擦系数的下降主要就是由于这个原因。当 600 时，随工作前角的增大而减小；随工作前角的减小而增大。当 600 时，积屑瘤消失，这时，切屑变形系数的减小是由于刀 屑平均摩擦系数的减小； 单位切削功率 pc 曲线有着与切屑变形系数曲线相似的形状，其理由是不言而喻的，切屑变形大，需要的功自然也就大些。 当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于 切削加工进行。 。 一般认为，刀具的磨损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间的摩擦以及工件材料中有关化学元素与之发生粘结、亲和而引起的，即其磨损机制主要包括： 氧化磨损和相变磨损。刀具高速切削时的平均切削温度可达 1000 1200 ，在此高温下，即使在常压和空气气氛中也足以使刀具刀尖区产生氧化、放氮甚至相变。而刀具一经氧化和相变即会丧失其切削能力。 粘结磨损。在一定压力和高温条件下，刀尖与被加工材料接触区随着切屑不断流出，双方均不断裸露出新的表面。随着与合金元素的亲和倾向不断增加，将导致出现粘结磨损。这 种磨损一般表现为微粒脱落，当刀尖区温度高达 1200 左右时，局部颗粒将呈现 “半熔化 ”状态，从而使粘结磨损大大加剧。 颗粒剥落与微崩刃。由于刀具是由无数细小的颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的精细裂纹连接， 2 且存在不均匀的内应力，因此当高温切屑流摩擦刮研刀尖时，会因工件材料硬度不均或存在硬质点所产生的微冲击而造成颗粒脱落或产生微崩刃。 由此可见切削温度对加工工艺影响很大，对加工刀具寿命也有影响。研究切削温度可以避免一些不必要的经济损失。 1.3 切削温度 在国内外的研究现状 近 40 年来，切削 温度 的研究越来越被人们重视， 特别是工业发达国家，日本、美国、前苏联、英国和德国等都很重视研究升发，已有不少成果实用化。 日本对切削 温度 的研究广泛深人，设有专门的研究机构。 其中一些 代表入物，对 切削 温度 的基础理论和实际应用进行了大量 系统、深入地研究，并有专著。 20世纪 70 年代以来，车削、磨削在日本己研究较成熟 。 取得了很好效果，在生产中发挥了重要的作用。 前苏联在切削方面的研究较早 ， 20 世纪 50 年代末 60 年代初就发表过不少有价值的论文。在切削 温度 研究上作了大量工作，并在振动车削、磨削、攻螺纹、钻孔等应用方面职得了良好的经济效果。 美国在振动切削发展上曾走过弯路。 20 世纪 60 年代初开始的切削研究工作，70 年代中期又重新开始，并在 一些 方面取得了系列成果，目前己制订部分标准供选用。 英国和德国等对切削 温度的 机理和应用也进行了大量研究开发工作，发表了不少有价值的论文，在生产中也得到了积极应用。 我国此项研究工作开始干 20 世纪 60 年代。 1966 年哈尔滨工业大学应用 国外先进的切削温度技术进行一系列的试验 ，取得了良好效果。 1976 年以后，陕西机械学院等院校和单位先后做了一些车削、钻孔、攻螺纹与磨削等试验研究并部分应用于生产。 1983 年 10 月在西安召开的全国第一次切削专题讨论会 ”，促进了 切削技术在全国的深入研究和推广位用。 20 世纪 80 年代中期以后，哈尔滨工业大学又对车削淬硬不透钢、钻孔、铝复合材料攻丝进行了试验研究，取得了满意的效果。吉林工业大学对车削，北京航空航天大学对五合金攻丝都相继进行了试验研究，取得了可喜的成果。此外，河北机电学院、大连理工大学也对攻丝进行了研究 ，也取得了一系列的成绩。 1.4 研究目的、意义和内容 自 切削技术 的应用以来， 以其独特的工艺效果 ，极大的提高啦工厂生产的效率，减少啦生产成本，为企业和工厂带来啦不少生产效益 ，从而受到 国内外机械工程专家和 企业的 广泛关注。 但是，与传统的 加工 理论与方法相比，切削技术仍是一种 “年轻 ”的工艺方法，其理论体系尚不完善，还有许多问题有待于深入 3 研究。 其中温度就是困扰大家的一个难题，没有太好的方法来解决。 随着 ANSYS 软件的开发 ， 已经逐渐成为一种必要的、且必不可少的研究手段。同时，受实验设备等客观条件的限制，不可能在试验中大幅度地随意改变工艺参数，因此，利用 ANSYS 软件在切削过程中对且学温度问题进行建模模拟和仿真研究是为切削温度问题的解决提供啦一个参考依据。 本论文主要对车削过程中的刀具 与工件的相对位移移动所产生的摩擦热度进行分析 依据的实例是：工件材料 45 钢，刀片材料 YT15，切削厚度 1mm， 切削速度 1 研究和分析 切削温度的基本 机理 ； 1. 建立 节点能量平衡方程式 2.使用 ANSYS 进行建模处理依据实例进行计算从而显示切削加工时的温度梯度。 根据分析结果，为切削加工时避免因温度而引起的不必要损失的研究提供理论依据 。 2.ANSYS 软件简介 2.1 ANSYS 的定义 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一 的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Allegro, I DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一 。 ANSYS 有限元 、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天 软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解 结构、流体、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械 ， 微机电 气 系统、运动器械等。 2.2 ANSYS 软件的内容 软件主要包括三个部分：前处理模 块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 4 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出 。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 2.3 ANSYS 软件提供的分析类型 ANSYS 软件提供的分析类型如下： 1)结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。 ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及 接触分析。 2)结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 3)结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。 ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4)动力学分析 ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动 的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。 5)热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 6)电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动 效应、电路和能量损失等。还可用于螺线 5 管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 7)流体动力学分析 ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 8)声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动 态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 9)压电分析 用于分析二维或三维结构对 AC（交流）、 DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析 。 3 ANSYS 对物体的热分析 3.1 热分析简介 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流 密度（热通量）等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等 。 3.2 ANSYS 热分析特点 ANSYS 热分析有以下几个特点： ANSYS 功能组件热分析能力 ANSYS/Multiphases、 ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、 ANSYS/FLOTRAN、 ANSYS/ED 五种产品中包含热分析功能 ,其中 ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析。 ANSYS 热分析原则 : ANSYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程， 用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ANSYS 热分析类型 : ANSYS 热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 6 4 ANSYS 在实例中的应用 工件材料 45 钢，刀片材料 YT15，切削宽度 10mm，切削厚度 1mm，刀片尺长 18mm*16mm*10mm，导热系数 67 W/m- ,对流传热系数 600 W/m2- ，切削速度 1 主切削力大小是 9600N，试确定其温度分布。 下面的步骤说明料 ANSYS 如何选择本问题的单元类型，如何创造本 问题的几何模型，如何应用边界条件等 。 4.1 定义工作文件名和工作标题 1） 打开 ANSYS 软件其工作界面为 图 1 ANSYS 软件工作界面 2） 选择 Utility menu File Change Job name 命令 ，出现对话框，在输入栏中输入 exercise5 ,并将 New log and error file 设置为 yes,单击【 ok】关闭该对话框。如图： 图 2 建立工作主题 3） 选择 Utility File Change title 命令，出现下面的对话框，再输入栏中输入 FRICTION HEATING OF A SLDING BLOCK 单击【 ok】关闭该对话框。如图 ： 7 图 3 建立文件名 4.2 定义单元类型 1） 选择 Main Menu processor Element type add/edit/delete 的命令，出现 Element type 对话框单击【 add】，出现 Library of Element type 对话框。如图： 图 4 定义单元类型 2）在 Library of Element type对话框中选择一个单元类型，在单击【 apply】按钮 在 Library of Element type 对话框中选择另一个单元类型。最后单击【 ok】关闭该对话框 。 4.3 定义材料性能参数 1）选择 Main Menu processor material models 命令，出现 define material models behavior 对话框。 如图： 8 图 5 定义材料参数菜单 2）输入材料泊松比 选着 Main Menu processor material models 在 material models behavior 一栏中选择双击 Structural 、 linear、 Elastic、 Isotropic 选项出现 Linear Isotropic 对话框，在 EX 对话框输入 压力值 ，在 PRXY 对话框中输入材料泊松比，如图所示，最后单击【 OK】关闭该对话框 。 图 6 输入材料泊松比 3）输入摩擦系数 选着 Main Menu processor material models 在 material models behavior 一栏中选择双击 structural、 friction 、 coefficient 选项 出现 friction coefficient for material number1 对话框，在 MU输入 0.2 如图所示，后单击【 ok】关闭该对话框。 9 图 7 输入摩擦系数 4）输入材料导热系数 选着 Main Menu processor material models 在 material models behavior 一栏中选择双击 thermal 、 conductivity、 isotropic 选项出现conductivity for material number1 对话框，在 KXX 输入 150 ，如图所示，后单击【 ok】关闭该对话框。图 8 输入材料导热系数 5）输入热膨胀系数 选着 Main Menu Processor Material models 在 Material models behavior 一栏中选择双击 structural、 thermal 、 expansion secant、 coefficient 、 isotropic出现 thermal expansion secant coefficient for material number1 对话框 ,在 ALPX 输入栏中输 入 2.39e-5，如图中 所示，后单击【 ok】关闭该对话框。 10 图 9 输入热膨胀系数 6）输入材料密度 选着 Main Menu Processor Material models 在 Material models behavior一栏中选择双击 Structural、 Density 选项出现 Density for material number1 对话框 ,在 DENS 对话框中输入材料的密度，如图中所示，后单击【 OK】关闭该对话框。图 10 输入材料密度 4.4 建模 1)选择关键点 选择 Main Menu Processor Modeling Create Key points In Active 11 命令。 CS 选出关键点 1（ 0， 0， 0），单击 【 Apply】 选出关键点 2（ 15， 0， 0），单击 【 Apply】 选出关键点 3（ 15， 6， 0）， 单击 【 Apply】 选出关键点 4(0,6,0)，单击 【 Apply】 选出关键点 5(0,5,0)， 单击 【 Apply】 选出关键点 6(0,10， 0)， 单击【 Apply】 选出关键点 7（ -6， 10， 0） ,单击 【 Apply】 选出关键点 8（ -6， 5， 0），如图中所示，后单击【 OK】关闭该对话框。图 11 建立模型 关键点 2)点划线 选择 Main Menu Processor Modeling Create Lines Straight Line 命令。依次连接关键点 1，关键点 2，关键点 3，关键点 4，关键点 5，关键点 6，关键点 7，关键点 8。如图所示， 后单击【 OK】关闭该对话框。 图 12 由关键点连成 线 3） 由线画面 选择 Main Menu Processor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPS 命令。依次选取线 L1,选取线 L2,选取线 L3,选取线 L4,选取线 L5,选取线 L6 选取线 L7,选取线 L8.如图所示， 后单击【 OK】关闭该对话框。 12 图 13 由线段连接创 面 4) 布尔运算 选择 Main Menu Processor Modeling Operate Glue Areas 命令。选择面如图所示， 后单击【 OK】关闭该对话框。 如图所示：图 14 模 型的布尔运算 最后的模型是 13 图 15 所要建立的 模型 4.5 划分网格 1） 网格划分材料属性 选择 Main Menu Processor Meshing Mesh Attributes Picked areas命令。 出现 Area Attributes 对话框单击面 A1 选择材料属性， 后单击【 OK】关闭该对话框。 单击面 A2 选择材料属性， 后单击【 OK】关闭该对话框。 材料 1： 图 16 划分材料 1 的属性 材料 2： 14 图 17 划分材料 2 的属性 2） 网格划分 打开网格划分人工控制菜单选择拾取线菜单如图所示： 图 18 网格划分 1 15 图 19 网格划分 2 4.6 加载求解 1） 选择 Main menu Solution Analysis Type New Analysis命令。出现 New Analysis对话框。选择分析类型是 Transient 后单击【 OK】 ,出现 Transient Analysis 对话框，在 【 TPNOPT】 Solution method 选项 FULL， 单击【 OK】关闭该对话框。 如图图 20 对模型进行 求解 1 2） 选择 Main menu Solution Analysis Type Analysis Options命令，出现 Full Transient Analysis 对话框其设置如下图， 后单击【 OK】关闭该对话框。 16 图 21 对模型进行 求解 2 3） 输入均匀温度载荷 4） 选择 Main menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature Uniform Temp 出现对话框如图所示，在中输入 0， 后单击【 OK】关闭 话框。图 22 输入均匀温度载荷 1 17 5） 选择 Main menu Solution Analysis Type Sols Controls 命令，出现Solution Controls 对话框参照图中所示， 后单击【 ok】关闭该对话框图 23 输入均匀温度载荷 2 6） 对刀具的限定 选择刀具运动的方向 图 24 选择刀具 移动的位移图 25 选择刀具移动的位移 2 18 6)选择所有的实体开始求解 选择 Main menu Solution Solve Current LS命令如图所示图 26 实体开始求解 4.7 查看结果 选择 Main menu General Postures Plot Results Contour Plot Nodal Soul 命令 . 结果如图所示图 27 实例加解的 结果 4.8 结果分析 由上述与分析 ,可得以下结论 : 1) 用 ANSYS 分析模拟预测加工过程 ,是研究切削加工的新思想。本文使用有限差分模型计算切削温度 ,其计算结果与实验结果吻合良好 , 说明此模拟计算 19 能反映切削加工的实际 切削温度 , 所以应用此模拟计算切削温度是可行的。 2) 切削温度解析计算的优点在于 : 计算中 , 它可以不断改变刀具材料、工件材料 , 切削条件等不同输入参数 ,很方便的计算出相 应条件下的切削温度分布 ,从而可节省大量的人力、物力、财力 ,使大