1、0基于 ANSYS 的切削加工过程温度场的分析摘 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
2、奠定了基础。 关键词： ANSYS，切削温度，解析预测，有限差分1Abstract 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
3、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 process2i
4、ng 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 difference2目 录1 绪论 .11.1 概述 .11.2 研究切削温度的意义 .11.3 切削温度在国内外的研究现
5、状 .21.4 研究目的、意义和内容 .22.ANSYS 软 件简介 .32.1 ANSYS 的定义 .32.2 ANSYS 软件的内容 .32.3 ANSYS 软件提供的分析类型 .43 ANSYS 对物体的热分析 .53.1 热分析简介 .53.2 ANSYS 热分析特点 .54 ANSYS 在实例中的应用 .64.1 定义工作文件名和工作标题 .64.2 定义单元类型 .74.3 定义材料性能参数 .74.4 建模 .104.5 划分网格 .134.6 加载求解 .154.7 查看结果 .184.8 结果分析 .185 致谢 .196 参考文献 .2031 绪论1.1 概述在机械制造业中
6、,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
7、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 300600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
8、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10001200，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
9、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4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，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 4
10、0 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
11、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
12、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5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研究。其中温度就是困扰大家的一个难题，
13、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
14、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
15、 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6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
16、 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 ；后 处 理 模 块 可 将 计 算 结 果 以 彩 色 等 值 线 显 示 、梯 度 显 示
17、、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
18、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
19、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7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
20、 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
21、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 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
22、 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
23、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。83 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
24、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
25、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 。 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9图 1 ANSYS 软件工作界面2）选择 Utility menuFile 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：
