毕业设计（论文）-金刚石砂轮设计.doc

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1、毕业设计(论文)毕业设计报告课题：金刚石砂轮的修正系部：机电工程系专业：机电一体化班级：高机电033 姓名：学号：11 指导老师： 20075目录摘要 -3第一章序言 -31.2 激光修整超硬磨料砂轮的原理-31.3 激光修整金刚石砂轮的试验-41.4 激光修锐后砂轮表面的微观形貌-51.5 有限元计算条件-7第二章有限元热分析原理的简介-82.1.3 偶合场分析 -82.2 热分析的基础知识 - 112.3瞬态热分析- 11第三章有限元分析的步骤 - 153.1：定义单元类型 - 153.2：定义材料性能参数 -153.3：建立模型 -163.4：划分网格 - 183.

2、5：加载求解 -20 3.6：查看计算结果 -25第四章结论 - -27结束语 -28谢辞 -29参考文献 -30摘要目前，金刚石砂轮在陶瓷或其他超硬材料的加工中已得到了普遍的应用，特别是在精密磨削中，呈现出加工精度高、速度快、磨轮使用寿命长等优点。金属和树脂结合剂砂轮由于结合剂强度高，有利于提高磨削速度，在应用中占有重要的地位。使用金刚石砂轮加工有许多优点，但金刚石砂轮的自锐性能较普通砂轮差，又加上金刚石的高硬度，使得金刚石砂轮的修整比较困难。光学曲面磨床上的金刚石砂轮不允许有任何形式的冷却液。而传统的金刚石工具修整法、普通砂轮修整法、散粒磨料修整法、都需要冷却液；而电解修整法、电火花修

3、整法，也都是在工作液中进行的。所以它们都不能适用于无工作液的情形。而激光修整法，由于不需要冷却液而成为可选择的方法。第一章序言1.2 激光修整超硬磨料砂轮的原理激光加工具有高功率密度、高注入速度、高加工效率、无工具损耗、非接触、易控制和无公害等特点。利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表面，理论上光的功率密度可达到W/可在极短的时间内使砂轮局部表面的材料熔化或气化，以达到修整目的.如激光功率密度足够高，可同时去除砂轮表面的金刚石磨粒和结合剂材料，达到砂轮整形的目的。金刚石磨料与结合剂材料的光学和热物理性能相差较大，激光照射在砂轮表面时，金刚石对激光的吸收率一般在0.10.3之间，

4、而黄铜、铸铁等金属结合剂对激光的实际吸收率在07以上，树脂结合剂激光吸收率可达09以上。所以砂轮的结合剂要比金刚石磨粒吸收更多的激光能量。此外，金刚石的热导率是146W(m)，分别是黄铜和树脂结合剂的3倍和350倍，其热扩散率是82，分别是黄铜和树脂结合剂的5倍和400倍，金刚石的熔点是37004000 ，远远高于结合剂材料。因此，通过控制激光参数可选择性地去除砂轮表面的结合剂材料，而不损伤金刚石磨粒，使砂轮表面具有一定的磨粒突出高度和容屑空间，达到修锐砂轮的目的。1.3 激光修整金刚石砂轮的试验实验在多功能激光加工机上进行，采用HJ-3000横流激光器，额定输出功率3kw，机床为单臂悬梁式结

5、构，西门子802C数控控制，4轴3联动。分别对黄铜和树脂结合剂金刚石砂轮进行激光修整试验。利用VH一800三维数字显微镜观察激光作用前后金刚石砂轮表面的微观形貌。激光扫描过程中若能量密度过大会引起结合剂过熔而削弱结合剂对磨料的把持能力，同时还会对金刚石产生不利影响；若能量密度过小则不能熔化结合剂，起不到修整的作用。因此合理确定激光功率、扫描速度及焦点高度等基本参数对修整效果非常关键。设激光光斑直径为d(mm)，扫描速度为(mm/min)，功率为P(W)，则单位扫描面积上的平均能量E 可表达为对于给定的结合剂材料，根据上面的分析可知，E必须在某个相应的范围内取值，即存在上下限。激光功率、扫描速度

6、及焦点高度(影响激光光斑直径)最终通过式(1)对修锐效果综合产生影响。激光修锐砂轮时，激光束垂直作用于砂轮表面，通过数控系统控制砂轮的切向进给运动速度，激光器控制激光输出功率，砂轮表面离光束焦点的距离为2mm。试验装置实物照片如图1所示。1.4 激光修锐后砂轮表面的微观形貌树脂结合剂、黄铜结合剂金刚石砂轮磨损后的表面形貌分别见图2、图3。金刚石砂轮磨损形式主要表现为磨粒脱落、破碎和磨耗，砂轮表面的有效磨粒数减少，磨粒突出高度和容屑空间减少。经过修锐后的树脂结合剂、黄铜结合剂金刚石砂轮表面的微观形貌分别见图4、图5。一从图中可看出，单颗金刚石磨粒形状完整，未产生损伤。树脂结合剂是高分子材料，没有

7、固定熔点，在激光作用下表面局部温度远远超过其分解温度350 ，树脂材料以气化形式被去除，去除量均匀。对于黄铜结合剂而言，当材料表面温度升到稍低于其蒸发温度时，固态金属首先熔化，继而出现气相，金属蒸气携液相一起喷出。金属气化后，激光仍继续提供能量，而金属蒸气比固态金属吸收更多的激光能量，使照射区域的底部形成更强烈的金属喷射和飞溅。激光作用停止后，部分溅出的液相金属形成再结晶的球状物附着在砂轮表面，熔化而未溅出的液相金属在凹坑周围形成再结晶层。修锐后的砂轮表面具有较大的磨粒突出高度和容屑空间。1.5 有限元计算条件由于砂轮是一种非均质多相的各相异性的复合材料，并且砂内各点的属性随温度变化而变化，因

8、此要对砂轮体内的每一点的属性作出计算，其计算量和难度都相当大。麦克斯韦研究了两相混合物的导热系数的计算表达式上式中的为金刚石砂轮混合物的导热系数；x=为树脂结合剂或金属结合剂导热系数与金刚石砂轮磨粒导热系数之比；为金刚石磨粒的体积分数。另外科伯-奈曼定律给出了两混合物的比热容的计算公式为式中的是A相金属的比热容，质量分数为M；是B相属比热容，质量分数为N。边界条件的处理如下：激光辅助机械修整金刚石砂轮相在其上施加一个局部瞬时热源，热流密度为，P为激光功率，D为光班直径，作用时间为D/V；工作出使温度温度为砂轮周围环境温度25；对流换热系数为200；其他计算条件如下图所示。表1 激光辅助机

9、械修整金刚石砂轮的条件 Characteristics Parameters Diamondwheel 1A1/T2 100x10x20x4RVD150 M75 Speed of wheel/(mm/s) 6 Power of continuous laser/W 55 Distance from laser focus /mm +2 表2 聚酰亚胺和金刚石的热物理特性 Polyimide Diamond Density /(g/) 1.38 3.483.56Thermal conductivity/W/(m.K) 0.350.95 146 Specific heat /J/(kg.K) 11

10、301297 509 Melting point / 250400 37004000有以上的公式和砂轮的材料性能参数可以得到砂轮的密度为2.985g/,热系数为6.2 W/(m.K)；比热容为464.13 J/(kg.K)其热流密度为1100Kw/ 。第二章有限元热分析原理的简介2.1.3 偶合场分析 ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其他诸多问题，如热应力、热电、热磁等。我们称这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为偶合场分析。ANSYS提供了两种分析偶合场的方法：直接偶合和间接偶合。1.1.1 直接偶合法直接偶合解法的偶合单元包含所以必须的自由度，仅仅通过一次求解

11、就能得出偶合场分析结果。这种方法实际上是通过计算包含所以必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。下面列出了所以与热分析相关的偶合场单元。PLANE 13 维度：2-D 偶合场：热应力节点数：4 自由度：温度、结构位移、电势、矢量磁位CONTACT 48 维度：2-D 偶合场：热应力节点数：3 自由度：温度、结构位移 CONTACT 49 维度：3-D 偶合场：热应力节点数：5 自由度：温度、结构位移 FLUID 66 维度：3-D 偶合场：热流体节点数：2或4自由度：温度、压力FLUID 116维度：3-D偶合场：热流体节点数：2或4自由度：温度、压力SOLID 5 维度：3D 偶合场

12、：热应力、热电节点数：8 自由度：温度、结构位移、电势、磁标势SOLID 98 维度：3-D 偶合场：热应力、热电节点数：10自由度：温度、结构位移、电势、矢量磁位PLANE 67 维度：2-D 偶合场：热电节点数：4 自由度：温度、电势LINK 68 维度：3-D 偶合场：热电节点数：2 自由度：温度、电势SOLID 69 维度：3-D 偶合场：热电节点数：8 自由度：温度、电势SHELL 157 维度：3-D 偶合场：热电节电数：4 自由度：温度、电势间接偶合间接偶合法又称序贯偶合法，通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的偶合。例如热应力偶合分析是将热分析

13、得到的接点温度作为载荷施加在后序的应力分析中来实现偶合的。图1-5为间接偶合法数据流图，先进行分析1的计算，产生的结果文件1。然后将其载入到分析2中，进行计算后，最后形成结果文件2。分析2分析1 结果文件1结果文件2 2.2 热分析的基础知识2.2.1 三种基本传热方式传导当物体内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。对流对流是指温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。高温物体表面常常发生对流现象。这是因为高温表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大

14、的冷空气将下降并代替原来的受热空气。辐射与传导和对流不同，热辐射是通过电磁波的方式传递能量的过程。辐射不需要物体之间的直接接触，也不需要任何中间介质。同一物体，温度不同时的热辐射能力不一样，温度相同的不同物体的热辐射能力也不一样。同一温度下黑体的热辐射能力最强。自然界中的任何物体都在不断地向周围空间发射辐射能，并吸收来自空间其他物体的辐射能。这种辐射和吸收过程的综合作用便形成了辐射换热过程。2.2.2热分析基本材料属性用ANSYS进行热分析时，需要给出每一实体材料属性。与热分析直接相关的属性包括：热传导率、比热容，焓、对流换热系数、辐射系数、生热率。比热容比热容是指单位质量的物质每升高（或降低

15、）1C所吸收（或放出）的热量。单位为J/Kg.C)焓焓的定义式为： H=U+PV式中，H为焓，U为内能，P、V分别为压力和温度。生热率生热率既可用作材料属性赋予材料，又可用作体载荷施加到单元上，用以模拟化学反应生热或电流生热，其单位是单位体积的热流率。2.3瞬态热分析2.3.1 瞬态热分析的应用温度场随时间而发生变化的传热过程称为非稳态传热。实际上，无论是在自然界还是在工程中，绝大部分传热过程都是非稳态传热。这类传热按照其过程进行的特点，可分为周期性传热和非周期性传热两种。在周期性传热过程中，导热物体内的温度以一定的规律，随时间周期性变化。如自然界大地表层土壤在一昼夜和一年四季中，它的温度

16、场都是周期性变化的。又如在稳定情况下运行中的往复式热机，汽缸壁内的导热也是周期性的。而在非周期性的传热过程中物体内的温度随着时间的不断升高或降低，并在经历相当长时间后逐渐趋于周期介质的温度而最终达到平衡。这类传热过程又称为瞬态传热。如热力机械的启动过程和挺机过程，各种热处理过程中的工件被加热或被冷却时，都是瞬态传热。2.3.2瞬态热分析的基本步骤ANSYS瞬态热分析的基本步骤包括构件模型、施加载荷、求解与后处理。构建模型模型的够建步骤如下所示：（1）确定作业名，标题与单位（2）进入Preprocessor前处理。（3）设置单元类型，设置单元选项，定义单元实常数；（4）设置材料属性。（5

17、）创建几何模型并划分网格。施加载荷计算定义分析类型若进行新的瞬态热分析 GUI：Main Menu/Solution/AnslysisType/Transient若接着上次的计算继续进行分析GUI：Main Menu/Solution/AnslysisType/Restart设置热分析的初始条件1 设置均匀温度场如果已知模型的初始温度是均匀的，可设定所以的节点的初始温度值。点击Main Menu/Solution/Loads-Setting/Uniform Temp。2. 设置参考温度定义参考温度是用于热应变的计算，热应变在数值上等于a*(T-TREF),其中a为热膨胀系数，TREF为参考温

18、度。参考温度值默认为零，但可通过如下方式进行设定：GUI: Main Menu/Solution/Loads-Setting/Reference Temp,用于输入参考温度值。2 设置节点温度节点温度的设定则可以按如下方法进行：GUI: Main Menu/Solution/Loads-Apply/Thermal-Temperature/On node.按GUI的方式操作，将出现如图4-5所示的画面。若节点温度值设为常数，则该节点的温度在整个瞬态热分析过程中将保持不变。当然，节点的温度也可以通过现存的表格（Existing Table）或新建表格（New Table）的方式进行设定。3 设置节

19、点初始温度在瞬态热分析中，若节点温度的初始值是已知的，则可通过如下方法进行设定：Main Menu/Solution/Loads-Apply/Initial Conditn/Define,GUI方式操作，选中欲施加初始温度值的节点后，将出现如图4-6所示的画面，在图4-6中，从DOF to be specified下拉列表中选择Temp，并Initil value of DOF文本框中输入一定的温度值，然后点击OK确定，即可定义所选节点的初始温度值。4 通过稳态热分析获取初始温度基本参数如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析建立初始条件：设定载荷（如已知的温度、热对流等）

20、写入载荷步文件：GUI:Main Menu/Preprocessor/Loads/Write LS File或先求解：Main Menu/Solution/Solve/Current LS求解在对一个瞬态热分析问题进行求解时，与稳态热分析类似，通常也需要指定一些关键的载荷步选项。其中包括：Time/Frequenc选项、非线性选项以及输出选项。（1） Time/Frequenc选项指定载荷步的结束时间：GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps设置载荷步的载荷子步数（或时间增量）对于非线性分析，每个载荷步需要多

21、个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps设置Stepped选项与Ramped选项如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为Stepped选项；如果载荷值随着时间线性变化，则要设定为Ramped选项。GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps自动时间步长：本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长。GUI:Menu/Solution/Load

22、 Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps时间积分效果：如果将此选项设定为OFF，将进行热稳态分析。GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time Integration（1）非线性选项若点击GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Nonlinear,将出现如图3-3所示的非线性选项对话框。（2）求解GUI:Menu/Solution/Current LS 后处理对于瞬态热分析问题，ANSYS提供了两种后处理方式，POST1和POST26。POST1用于对整个模型在某

23、一载荷步（时间点）的结果进行后处理：GUI：Main Menu/General Postproc（1）用POST1进行后处理进入POST1后，可以读取某一时间点的结果：GUI：Main Menu/General Postproc/Read Results/By Time/Freq如果设定的时间点不在任何一个子步的时间带点上，ANSYS会进行线性插值。此外还可以读取某一载荷步的结果：GUI：Main Menu/General Postproc/Read Results/By Load Step然后就可以采用与稳态热分析类似的方法，对结果进行彩色云图显示、适量图显示、打印列表等后处理。（2）

24、用POST26进行后处理首先要定义变量：GUI：Main Menu/TimeHist Postproc/Define Variables或列表输出：GUI：Main Menu/TimeHist Postproc/List Variables第三章有限元分析的步骤（1） 3.1：定义单元类型（1）选择Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框。（2）点击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。所示。（3）在Library of Element Type

25、s第一列表框中选择Thermal Solid,在第二个列表框中选择Brick 8node 70,在Element type reference number文本中输入1。（4）单击Apply按钮，重新在Library of Element Types第一列的对话框中选择Surface Effect, 在第二列表框中选择3D thermal 152, 在Element type reference number文本框中输入2。（5）单击OK按钮,关闭 Library of Element Types对话框，所选择的单元类型。（6）单击OK按钮, 关闭Element Types对话框。3.2：

26、定义材料性能参数选择Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models命令，出现Define Material Modle Behavior窗口。（1）在Material Modle Available一栏中双击Thermal选项，出现Conductivity项后双击之，然后再双击Isotropic选项，出现Conductivity for Material Number 1对话框，在KXX文本中输入砂轮的混合的导热系数6.2，。（2）单击OK，关闭Conductivity for Material Number 1对话框。（3）

27、在Define Material Modle Behavior窗口中双击Density选项，出现Density for Material Number 1对话框，在DENS文本框中输入砂轮的混合密度298。（4）单击OK，关闭Density for Material Number 1对话框。（5）在Define Material Modle Behavior窗口中双击Specific Heat选项，出现Specific Heat for Material Number 1对话框，在C文本框中输入砂轮的混合比热464.13，。（6）单击OK，关闭Specific Heat for Ma

28、terial Number 1对话框。（7）在Define Material Modle Behavior窗口中双击Convection or Film Coef.选项，出现Convection or Film Coef for Material Number 1对话框，在HF中输入砂轮的对流热交换系数200。（8）单击OK，关闭Convection or Film Coef for Material Number 1对话框。所定义的材料性能参数。（9）选择Material|Exit命令关闭Define Material Modle Behavior窗口。3.3：建立模型（1）选择Ma

29、in Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Keypoints|In Active CS命令会弹出Create Keypoints In Active CS对话框。（2）在NTP Keypiont number文本框中输入关键点编号1，在X,Y,ZLocation in active CS文本框中分别输入第1个关键点的3个坐标值1，0，0，单击Apply按钮。（3）重新在NTP Keypiont number文本框中输入关键点编号2，在X,Y,ZLocation in active CS文本框中分别输入第2个关键点的3个坐标值-1，0，0。（4）单击OK按

30、钮，关闭Create Keypoints In Active CS对话框。生成如的两个关键点。（5）选择 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas|Rectangle|By Dimensions命令，出现Create Rectangle by Dimensions对话框。（6）在X1,X2 X-coordinates文本框中分别输入0,0.01, 在Y1,Y2 Y-coordinates文本框中分别输入0.02,0.1, 单击OK按钮，关闭Create Rectangle by Dimensions对话框。（6）将工作面转换到Y-Z平面内，

33、sh Attributes|Default Attribs命令，将出现Mesh Attributes对话框。（2）在TYPE Element Type number中选择1 SOLIOD70。如下图所示。（3）单击OK，关闭Mesh Attributes对话框。（4）选择 Main Menu|Preprocessor|Meshing|MeshTool命令，将出现MeshTool对话框。如下图所示。（5）选择Hex/Wedge,Sweep,然后单击Sweep按钮，弹出Volume Sweeping对话框，（6）选中要划分的四块较大的体积，单击OK按钮，即显示出其被划分后的网格情况。（7）

35、Attributes对话框。在TYPE Elenment type number中选择2 SURF152,如下图所示。（2）单击OK，关闭Element Attributes对话框。（3）选择Main Menu|Solution|Analysis Type|New Analysis命令，出现New Analysis对话框。（4）选中Transient单选按钮，如下图所示。（5）单击OK按钮，出现Transient Analysis对话框，如下图所示，采用默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。（6）选择Main Menu|Solution|Load Step Opts|Time/Fre

36、quence|Time Integration|Amplitude Decay命令，出现Time Integration Control对话框。（7）在TIMINT选项中激活Off，关闭瞬态分析选项，其他采用默认设置，单击OK关闭该对话框。（8） Main Menu|Solution|Load Step Opts|Time/Frequence|Time-Time Step命令，出现Time And Time Step Options对话框。（9）在TIME Time at end of Load step文本框中输入终止时间0.01，在DELTIM Time step size文本框中输入

37、时间步长0.01，其他采用默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。（10）选择Utility Menu|Select|Entities命令，出现Select Entities对话框。（11）在第1个下拉列表框中选择Elements,在第2个下拉列表框中选择By Attributes,在第3选项组中选中Material num单选按钮，在Min,Max,Inc文本框中输入1。（12）单击Apply按钮，在第1个下拉列表框中选择Nodes，在第2个下拉列表框中选择Attached to，在第3选项组中选中Elements单选按钮，单击OK按钮。（13）选择Main Menu|Solution|

38、Define Loads|Apply|Thermal|Temperature|On Nodes命令，出现 Apply TEMP Nodes对话框。（14）单击Pick All按钮，出现Apply TEMP on Nodes对话框。（15）在VALUE Load TEMP value文本框中输入25，单击OK按钮。加载环境温度后的砂轮如下图所示。（16）选择Utility Menu|Select|Entities命令，出现Select Entities对话框。（17）在第1个下拉列表框中选择Areas,在第2个下拉列表框中选择By Num/Pick,在第3选项组中选中From Full单

39、选按钮。（18）单击Apply,出现Select lines对话框。（19）用鼠标在荧屏上选取需要加载的面，单击OK按钮。（20）在Select Entities对话框中重新进行选择，在第1个下拉列表框中选择Nodes，在第2个下拉列表框中选择Attached to，在第3选项组中选中Areas,All单选按钮，单击OK按钮。（21）选择Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Thermal|Heat Flux|On Nodes命令，出现 Apply HFLUX Nodes对话框。（22）单击Pick All按钮，出现Apply HFLUX on

40、Nodes对话框。（23）在VALUE Load HFLUX value文本框中输入1100000，单击OK按钮。如下图所示。加载后的效果如下图所示。（24）选择Utility Menu|Select|Everything命令，选中所以的点、线、面、体。（25）选择Main Menu|Solution|Solve|Current LS命令，出现Solve Current Load Step对话框，同时出现/STATUS Command 窗口，选择File|Close命令，关闭该窗口。如下图所示。（26）单击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮，ANSYS开始进行求解计算。（27）求解结束时，出现Solution is done提示框，单击Close按钮关闭该提示框。（28）选择Main Menu|Solution|Load Step Opts|Time/Frequence|Time-Time Step命令，出现Time And Time Step Options对话框。（29）在TIME Time at end of

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