纳米氧化锆陶瓷精密磨削温度场建模及有限元仿真

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1、主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding纳米氧化钳陶瓷精密磨削温度场建模及有限元仿真”刘占瑞李长河(青岛理工人学机械工程学院，山东青岛266033)摘耍：在分析纳米氧化馅陶瓷材料加工性能基础上，建立了纳米氧化链粘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，在工件表而形成极高的温度梯度，若工件足够长，会存在一个稳定区：随 着磨削切深增人，磨削弧区形成局部高温，造成工件的烧伤。关键词:纳米氧化钻陶瓷 磨削 温度场 有限元仿真

2、Modeling and Simulation of Temperature Field of NanometerZirconia Ceramics Precisi on Grin dingLIU Zhanrui LI Changhe(School of Mechanical Engineering Qingdao Technological University, Qingdao 266033, CHN )Abstract： Based on analvaing the machining performance of Nanometer Zirconia Ceramics, its pre

3、cision grinding temj)erature field theory model is established ANSYS software is used for three dimensions model simulation analgze uncier different operating conditions This simulation results also indicate that the work- piece peak temperature rises rapidly when grinding wheel Hrst engages with th

4、e work piece and a steady 一 state region exists if the work piece is long enough. Tlie temperature of the grinding contact zone is increasing with the depth of grinding risings which can cause work piece burned.Keywords： Nanometer Zirconia Ceramics； Grinding； Temperature Field： Finite Element Simula

5、tion谍需 * 如 “ Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.njil主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding谍需 * 如 “ Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.njil主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding*国家门然科学基金项11(50875138)：山东省门然科学基金朿点项n

6、(Z2OO8Fll)和泰山学者专项经费资助项口随看工业技术的发展，陶瓷材料以其高强度、髙硬 度、高化学稳定性、低膨胀系数和耐磨损性能被广泛应 川在机械、冶金、化工、能源以及生物工程等领域。 山于陶瓷材料的特殊物理化学性能决定了其加工难 度，针对陶瓷材料的加工设备以及刀具必须具仃更高 的换度，这样才能实现陶瓷材料的加工。山于工程陶瓷材料的碾脆性能，与金屈材料完全 不同的性质,难以用常规的金属切削方法加工；并且人 多数陶瓷又是电的不导体，一般也不适用丁电火花 加工等电加工方法，这使得陶瓷材料的加工受到了很 人的限制，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、

7、化学 加工、高能束加工以及辅助能量法加工。机械加工 包括儒削加工、抛光加工、研磨加工、怖磨加工等: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60年代英国Hawell原子能 研究中心捉出超声旋转加工法，后來羌国、前苏联等国 都相继开展了这方而的研究。20世纪80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年天津人学研制的 陶瓷小孔超声波僭削加工机床，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。EUD磨削是一种在加工过程中使用电解修整砂 轮和常规机械磨削和结

8、合的新型磨削方法。1987年 该技术首先由口本物理化学研究所的Hiloshiohmori等 人提出，他们采用微细磨粒铸铁纤维基结介剂金刚仃 砂轮，对硅片进行梢密加工;采用普通机床在磨削过程 中进行砂轮在线修整，实现硅片的镜而磨削o陶瓷材料的加工,磨削功率较人，去除单位体积的 材料需要消耗很高的能危，这些能除少最传递给周 围介质外，绝人部分都传入工件中。由于陶瓷材料的 导热系数较小，所以这些能最难以向工件的深度传递, 造成了工件表而的能最聚集，形成表而局部高温。过高的温度会导致陶瓷材料的表向烧伤、工件表血产生 残余拉应力、从而降低疲劳强度、降低工件尺寸精度和 形状糟度。氧化珞是一种具仃高熔点、高

9、沸点、导热系数小、 耐磨性好，抗腐蚀性能优艮的无机非金属材料，C广泛 川于制造结构陶瓷、功能陶瓷、压电陶瓷、电子陶瓷、生 物陶瓷、高温光学纽件、磁流体发电机等高科技产品， 是21世纪瑕仃发展前途的功能材料Z-o氧化钳陶 瓷材料以其极佳的生物相容性、耐磨损耐腐蚀性和类 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。但其固仃的脆性限制了其临床应 川，随看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加仃效途径。纳米陶瓷和对普通陶瓷來说，其断裂切性仃了很 人的提高,对材料的显微塑性去除机理提供了仃力的 保证。口前针对纳米陶瓷的磨削加工研究报道还不是 很多，其加工

10、的机S以及表而的完整性仃待丁进一步 深入的探索研究。本文利川ANSYS有限元分析软件 针对纳米氧化铅陶瓷的磨削温度进行了仿真分析，并 对不同燃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纳米氧化链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。门1942年,Jneger建立经典 的移动热源模型以來，很多学者在此曜础Z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 在工件表而的移动模型，并假设僭削热主要产生在剪 切而上6 1988年,Lavine建立了能績分配模熨与微

11、 帚热分析相结介,他将砂轮和冷却液看做一个整体在 工件的表而上移动,通过工件表而的温度來计算蘑削 弧区的能最分配以及对流换热系数。1.1烧削温度场模型膚削加工中砂轮蘑粒与工件Z间的相互作用是菲 常复杂的,难以箱碓地测杲和分析每一颗腭粒受力以 及热冰的分散情况。针对蘑削温度场的研究通常采用 的方法:仃限元法（FEM ）和仃限差分法（EDM ） o它们 均是将烧削加工的过程进行简化，将T件视为卜无限 大IL各表而绝热的边界条件，来研究瞬态的传热问题。木文采用仃限元分析的方法来研究纳米氟化错陶 瓷的烧削温度场分布情况。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，蘑

12、削温度场简化模型见图lo(b)图1附盜声削加工有限尤分析模型传热学的肚本理论可以将匸件的温度场分布简化 成三维传热问题:唐削弧区瞬态导热微分方 “Mt丄At(1)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，等号左边为传入微元体的总热虽，右边 为微元体升温需要的热磺。其屮：T为物体的瞬态温 疫汀为过程进行的时间：k为材料的导热系数卩为材 料的密度；c为材料的定压比热。确定边界条件和初始条件。磨削表而的边界条件 由移动热源位宣决定，其他表而为绝热边界。由于采 用的材料为纳米氧化鉛陶瓷，导热性能较差，故工件与 周围空气Z间热交换可以忽略不计，即工件所仃表而 的对流换热系数均为零。初

13、始条件设定卩=20 to1.2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屮，在砂轮 表而分布看一些不规则炳粒与工件表而发生滑擦、耕 犁、切削，在整个过程屮，产生很高的能量。设生成的 总热帚热流密度为q,，这部分热鼠除少杲传入碎Fi、燃 削冷却液以外，绝人部分按一定的比例传入工件和砂 轮中。设传入工件的能量热流密度为仏。其中：qt = F, V/（ /A. b）（2）q* = q, R.（ 3）式中比为切向蘑削力巴为砂轮线速度屯为擀削狐区 的弧长为砂轮的宽度;他为总热帚传入工件屮的比 例系数。蘑削加工氧化错陶瓷的过程屮，砂轮表而的殊粒 分布没仃任何的规律，很难完成针对单粒烧粒的殊削 力

14、的分析和计算。众多国内外学者建立了序削力的理 论模型，來揭示格个陶瓷的烧削加工过程。西北工业 人学的任敬心教授针对會削T艺参数建立氧化错陶瓷 瞬削的经验计算公式如下：b, = 60.789 V _0-779 kM0 701 fl/ 927（4）根据H“hn提出的单颗烧粒在工件表面滑动的分 配模型，町以计算出烧粒的对流换热系数。该模型与 考虑热帚流入劇卉和瞎削液的分析无关，根据H“hn谍需 * 如 “ Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.njil主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ult

15、ra - Precision Grinding提出的模型可计算九为0. 974(kpCj 閉 f(5)式中也为磨粒的导热系数讥为懦粒的仃效接触半径 (r0 = 15 pun，该值是典熨騎粒的仃效接触半径值);(Ape)/5为工件材料的接触系数。从蘑削热的产生效应来看，在磨削区的每一颗磨 肖IJK的磨粒综合又可以看做是一个持续发热的I ft |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纳米氧化鉛陶瓷的物理性能纳米氧化铀陶瓷的物理性能不同于传统的陶瓷材 料,在硬度以及密度等方面都有很人的改善，尤其是其 断裂切性有很人的捉高。具体物理性能见表1。鑑需心dEc Journal Ele

16、ctronic Publishing House. All rights reserved.ki明主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding粒都可以看做一个持续发出热彊的点热源，而整个磨表1乙。2的物理件能参数材料密度/(g/min5 )硬度断裂切性/MPa TnT热传导率/( W7( in k)弹性模虽/GPa比热/(J/( kg 七)HRAHv纳米人。25.82901 75012.33.52.5 X104660泮通zro.5.71 5008-102.32. 1 x 104630鑑需心dEc Journal Electr

17、onic Publishing House. All rights reserved.ki明主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding鑑需心dEc Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki明主题:精密与超精密携削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding根据表1 口 J发现，纳米陶瓷材料相对于普通的结 构陶瓷料来说，许多物理忤能都发生了改变。普通厶 ()2材料的维氏硬度一般在1 500 HV左右，

18、而H.断裂韧 性很低，在加匸的过程中易断裂或产生裂纹。而纳米 氧化钳陶瓷的硬度能够达到1750 HV以上，提高了约 20%。硬度提髙但是其断裂韧性也相应的提高了，能 够达到12 MPa庙以上，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烧削加丁过程中，由于切深较 小，因此可以将已加工表而和未加工表而看做一个平 而,建立三维工件模樂。然后将模熨划分为冇限个独 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冇限元模熨是ANSYS 仃限元分析成

19、功的关键一步。如果模熨建立的不好会 直接导致计算的失败或失真，对于后期实验根本没仃 任何的指导意义。因此建立仃效的儿何模型必须结合 实际实验工况。为防止模熨划分仃限元网格后数据的 运算昴过大，在保证仿真计算精度的前提下，木模型尺 寸为长8 min,宽2 mm,高1 mm。3.2划分网格在仃限元分析屮，网格划分秸度向.接影响看计算 梢度，网格划分的越细，计算的m度就越髙，们是同时 会花费大量的时间C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。rii 于陶瓷材料的热传导率很小，并IL砂轮在T件表面移 动的速度很快，可视为快速移动热源问题。在匸件表 啲与砂轮接触的区域时

20、间出常的短粋，所以说,如果网 格划分的过大，那么就会导致很人的计算误差。I人1此, 本模型中网格的尺寸选为0. 1 mm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屮随时间变化的载荷，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。对于毎一个载荷 步，必须定义线荷值和时间值，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 计算的梢度。一般，步长越小，计算精度越高，同时计 算时间越长。根据热传导的原理，町以估算初始时间 步长：ITS = 62/( 4)(6)

21、式中:F为沿热流方向热梯度瑕大处的单元长度;a为 导温系数(a = K/pc ) o在木模型的加载过程中，根据工件长度L以及嘴 削弧区的长度来划分步长，幣个庐削载荷加载次数 N = L/Ir,可以计算时间步长为T = L/(N匕)。(2) 移动载荷的加载热源的移动利用ANSYS参数化设计语言APDL 编写于程序，依次读耿所要加戦表血的节点坐标，利用 ANSYS数组和函数功能，定义相应节点位克的而载荷 值,然后通过循环语句在廿点上施加面载荷。具体的 做法是:沿被烧削件的喀削方向将长度 0.5 mm K Z 1.0 mm时，陶瓷材料的温度基 本与环境温度没何差异。因此，陶瓷材料的辭削温度 对工件表

22、面的温升影响最大。由工件温度场的等温线 分布悄况町以发现，砂轮与工件的前缘接触lx：的温度 梯度大于砂轮后缘的温度梯度。可能是由于在砂轮的 前缘部位的蘑粒与工件的接触摩擦，在會粒的顶部聚 集了较高的能帚,所以导致在砂轮前缘部位与T件接 鑑需心dEc Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki明主题:精密与超精密磨削Topics： Precision & Ultra - Precision Grinding触时，热流密度人，温度升高，产生很人的热流梯度0.025 0.05 0.075 00.125 0J5 0.175 0

23、2 0225 0卫5 膺削加工图5 2方向温度变化6408007206cMoo2odoE5 4 4 3 2 L Esso3.4.3烧削参数对温度场的影响在蘑削加工的过程屮，磨削工艺参数以及磨削介 质对烧削温度场的分布仃很人的影响。根据磨削工艺 参数的变化,来研究烧削比能与蘑削温度的关系，寻求 纳米氧化错陶瓷的韧性去除的临界磨削参数。(1)切深对温度场的影响保持砂轮线速度K =30 m/s、工件横向移动的速 度匕=6 ni/n)in不变，采用相同的冷却润滑方式。通 过改变烧削深度，分别取烧削深度为1卩“、3 “】、6 IxmJO叩,利用ANSYS分析软件对其进行分析，得到 每一个工况下的工件达到

24、的最髙温度r_o在三维模 熨中，在工件的表而上X=2.0 mm处，任取一点卩小 分析其温度变化。即第20个单元体的温度变化情况, 如图6所示。803720IA/卿h田IflOjUU-z波a,-IpniAX221 图6磨削切深对温度场的影响?4O160SJO0-009 0.018 002丫 0036 OQ15 Ug 083 5J72 0081 QO?舉削时间几oq qK)o 巾rx8cx26 5 4 13 P、M想在熾削深度为10 pirn的工况下，其峰值温度彊 高，随着切深逐渐减小，温度变化的曲线趋丁平缓。可 见，磨削深度对儒削弧区瑕高温度的影响很人，切深越 人温度越高。因此在实际的磨削加工中

25、，为了仃效控 制僭削弧区的温度，避免工件表而因为温度过高而发 生热损伤，需要给出介适的磨削深度，以求得到更好的 表而形貌。(2)砂轮线速度的影响采用相同的磨削深度和工件移动速度，变化砂轮 的线速度，得到不同工况下工件的lii高温度。采用磨 削深度 =5 pn,T件移动速度匚=6 m/min,经过人 屋的仿真实验分析得到以下数据，如图7所示。茫加卜J间人罔7砂轮线速度対匸件表浙温度的影响由图可见，随着砂轮线速度的提高,磨削弧区的瑕 高温度是逐渐下降的。当V =20 ni/s时温度故高，工 件的表而温度可以达到620 X.；当V =50 ni/s时，工 $件表而的峰值温度只YJ* 280七，差异很

26、人。随着砂轮 线速度的提高，砂轮表而实际参与材料去除的蘑粒数 增加，导致单颗磨粒的平均受力减小，因此产生的热最 会相应的减小，并且表而粗糙度值也会相应的减小。 所以在工程实际的应用屮，通常采用较高砂轮线速度 加工的零件农而质量较好。(3) 1件进给速度的影响工件进给速度对磨削温度有一定的影响。仿真结 果见表2。表2变化匸件进给速度仿真温度值工件移动速度 VM/( ni/min)l3610I5J/工348565603591578采用相同的砂轮线速度以及切深: 匕=30 nv/s = 5 p.n当采用Vt =30 m/sq =5 pun的磨削工艺参数 时，变化工件的横向进给速度可以发现：当匕二1

27、ni/ min时，匸件表面的峰值温度人约在350七左右，虽然 此温度较低，表面质屋较高，但是麟削去除效率很低; 匕=3 ni/min时，峰值温度在560 %：,此时加工效率仃 了一定的提高，但是工件的温升也相应的提髙，对匸件 的表1何质量有影响;当匕分别取6 m/min% 10 m/min、 15 m/min时，工件表而的温度变化不是很大,峰值均 在590 %：左右。可见在精密加工时，采用较小的横向 进给速度町以仃效地降低游削温度场的温度。4结语(1) 1件表而的温度加高，温度梯度很人。并且 随Z値的减小，温度场的温度曲线逐渐趋于平缓，温 度变化不人。(2) 通过对磨削参数的对比,可见磨削深度

28、对磨 削温度的影响放人，随看切深的增人，磨削温度的峰值 急剧上升。砂轮线速度的提高町以使参加磨削的有效 磨粒数星增加，减小切削力，降低能耗，从而使得磨削 弧区的温度降低。(3) 分析了磨削工艺参数对磨削温度场的影响及 其变化规律，在合理改变磨削参数的情况下，能够使磨 削温度场的分布趋于合理。参考文献1 任敬心,康仁科，史兴宽.难加工材料的鹰削M.北京，国防工业 出版社,1999.2 田欣利，啜兵【腥陶瓷加工的理论与技术M.北京：国防工业 出版 IE,2006.3 Inassaki I. Gringding of llarl Brittle Material j. Annals of the C

29、IKP. 1987,36(21).(上接第19页)度/为0. 8 mm；评定长度In为1 Z；标准ISO；量程为 80 pn；RC滤波器。表2切割试验样本表而粗糙度送料方式粗糙度兀/啊第1组第2组第3组第4组平均值传统供料4.0123.8033.6525.3544.205箱确供料1.5291.5761.6561.6181.595由表2可以看出，利用磨料水射流切割脂聚合物 薄板，采用粘确膺料供给装置和传统门吸式儒料供给 装克所切割的表面粗糙度仃显普差别。应用微膚料水 射流供料装置的蘑料水射流切割表而粗糙度平均值较 传统门吸式供料提高了 2. 64倍。4结语本文设计开发了微烧料水射流精确供料系统，

30、实 验研究了供电电压与电动机转速、烧料质就流量与转 速以及磨料质量流量与电压的关系，并将该装置应用 到现仃蘑料水射流机床进彳j切割对比实验。实验结果 表明：在10-24 V范用，氏流减速电动机驱动螺杆克 服了套筒与憔料Z间的摩擦力，能够均匀、定最、稳定 的供料。通过对拟合方程计算表明，螺杆泵送烧料质4Malkin, S. 1989, Grinding Technology： Theory and Applications of Machining with Abrasivesf j. Ellis HorucxMl IJ(l. Chichester. uikI John U ;ley & Son

31、s. New York.C 5 Jaeger. J C linhig sources of lieut and the lempeialure ut sliding cun tacts j. Journal of the Koyal Society of New South Wales* 1942(76): 203 -224.6 Outwater* J O and Shaw M. C Surface temperatures in gringding J. Trans. ASME. 1952(74):73 -86.I 7 Iovine* A. S Malkin* S. . and Jen. T

32、 Themud Aspects of Grinding xvitli CBNJ CIKP Ann. , 1989(38):557 -568 杨世铭，陶文性.传热学M.第三版.北京：高等教育出版社,9 lklin K S On the nature of the grinding process Proc 3rd Int. Machine Tool DZgn aiul RcMarch Cnfereiwe M . Binninghann 1962.10 胡国良，任继文.ANSYSI1.0有限元分析入门与提高.M 北京： 国防工业出版社.2009.11 周徧旺，周志雄，毛聪，等.平面騁削温度场三维有

33、限元仿克及其实 無研究J制造技术与机床.2008( 12):70-75.(编辑李静) (收稿日期:2010 - 05-19) 文吊编咼0908如果您想发我对本文的看法请将文章编号填入读者总见调金表中的相应位迎。昴流最平均误差1. 03 g/min,lii人谋差为1. 96 g/min； 平均相对误差0. 2%,最大相对误差1. 79% o在现有 磨料水射流机床上分别应用微磨料水射流粘确供料装 置和传统自吸式供料装置对厚度为10 mm的树脂聚 介物薄板进彳亍了切割对比实验，实验衷明，应用微磨料 水射流粘确供料装豐可以人幅提高磨料水射流切割加 工的表而质量。微磨料水射流粘确供料具仃艮好的通 用性和

34、较高的实用价值。参考文献1 孙书莆,帘玉勇，等.基于AMESIM的微磨料水射流増压系统压力 稳定性研究】J.矿山机械.2009.37( 20)：H -13.2 雷玉勇.做磨料水射流技术及应用J.西华大学学报.2009.28 (4):1 6.3 雷玉勇，蒋代君，等.微辭料水射流三维加匸的实验研究J.西华大 学学报,2010.29(2):7 -10.4 耶龙健.微雅料水射流廉料精密输送系统研究D.成都：西华大 学,2(X)8.5 宋清俊.烧料水射流粘确供砂装置的研究D.成都：西华大学, 2(X)7.第一作者：戴良博，男,1986年生，硕士研究生，主 要研究方向为机械设计及理论。(编辑 谭弘颖)(收稿Fl WH2O1O-O5 -20)文章编号:10907如果您想发衣对木文的U法,请将文草编弓壇入读乩盘见调任表中的相应位遏坪94-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved二罗2010彳艮6庸