畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）金剛石砂輪設(shè)計(jì)

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 課題：金剛石砂輪的修正 系 部：機(jī)電工程系 專 業(yè)：機(jī)電一體化 班 級(jí)：高機(jī)電033 姓 名： 學(xué) 號(hào)：11 指導(dǎo)老師： 2007．5 目錄 摘要 ----------------------------------------------3 第一章 序言 --------------------------

2、-----------3 1.2 激光修整超硬磨料砂輪的原理-----------3 1.3 激光修整金剛石砂輪的試驗(yàn)-------------4 1.4 激光修銳后砂輪表面的微觀形貌---------5 1.5 有限元計(jì)算條件-----------------------------------7 第二章 有限元熱分析原理的簡(jiǎn)介--------------------8 2.1.3 偶合場(chǎng)分析 ----------------------8 2.2 熱分析的基礎(chǔ)知識(shí) -------------------------------- 11 2.3瞬態(tài)熱分析------

3、-------------------- 11 第三章 有限元分析的步驟 --------------------- 15 3.1：定義單元類型 ------------------------------- 15 3.2：定義材料性能參數(shù) ---------------------------15 3.3：建立模型 ---------------------------------------16 3.4：劃分網(wǎng)格 --------------------------------------- 18 3.5：加載求解 ---------------------------

4、--------------20 3.6：查看計(jì)算結(jié)果 ---------------------------------25 第四章 結(jié) 論 --------------------------- -----27 結(jié)束語 -----------------------------------------28 謝辭 -------------------------------------------29 參考文獻(xiàn) -----------------------------------------30 摘要 目前，金剛石砂輪在陶瓷或其他超硬材料的加工中

5、已得到了普遍的應(yīng)用，特別是在精密磨削中，呈現(xiàn)出加工精度高、速度快、磨輪使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。金屬和樹脂結(jié)合劑砂輪由于結(jié)合劑強(qiáng)度高，有利于提高磨削速度，在應(yīng)用中占有重要的地位。 使用金剛石砂輪加工有許多優(yōu)點(diǎn)，但金剛石砂輪的自銳性能較普通砂輪差，又加上金剛石的高硬度，使得金剛石砂輪的修整比較困難。 光學(xué)曲面磨床上的金剛石砂輪不允許有任何形式的冷卻液。而傳統(tǒng)的金剛石工具修整法、普通砂輪修整法、散粒磨料修整法、都需要冷卻液；而電解修整法、電火花修整法，也都是在工作液中進(jìn)行的。所以它們都不能適用于無工作液的情形。而激光修整法，由于不需要冷卻液而成為可選擇的方法。 第一章 序言 1.2 激

6、光修整超硬磨料砂輪的原理 激光加工具有高功率密度、高注入速度、高加工效率、無工具損耗、非接觸、易控制和無公害等特點(diǎn)。利用光學(xué)系統(tǒng)把激光束聚焦成極小的光斑作用于砂輪表面，理論上光的功率密度可達(dá)到~W/可在極短的時(shí)間內(nèi)使砂輪局部表面的材料熔化或氣化，以達(dá)到修整目的.如激光功率密度足夠高，可同時(shí)去除砂輪表面的金剛石磨粒和結(jié)合劑材料，達(dá)到砂輪整形的目的。金剛石磨料與結(jié)合劑材料的光學(xué)和熱物理性能相差較大，激光照射在砂輪表面時(shí)，金剛石對(duì)激光的吸收率一般在0.1~0.3之間，而黃銅、鑄鐵等金屬結(jié)合劑對(duì)激光的實(shí)際吸收率在0．7以上，樹脂結(jié)合劑激光吸收率可達(dá)0．9以上。所以砂輪的結(jié)合劑要比金剛石磨粒吸收更多的

7、激光能量。此外，金剛石的熱導(dǎo)率是146W／(m℃)，分別是黃銅和樹脂結(jié)合劑的3倍和350倍，其熱擴(kuò)散率是82，分別是黃銅和樹脂結(jié)合劑的5倍和400倍，金剛石的熔點(diǎn)是3700～4000℃ ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于結(jié)合劑材料。因此，通過控制激光參數(shù)可選擇性地去除砂輪表面的結(jié)合劑材料，而不損傷金剛石磨粒，使砂輪表面具有一定的磨粒突出高度和容屑空間，達(dá)到修銳砂輪的目的。 1.3 激光修整金剛石砂輪的試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)在多功能激光加工機(jī)上進(jìn)行，采用HJ-3000橫流激光器，額定輸出功率3kw，機(jī)床為單臂懸梁式結(jié)構(gòu)，西門子802C數(shù)控控制，4軸3聯(lián)動(dòng)。分別對(duì)黃銅和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行激光修整試驗(yàn)。利用VH一800三維數(shù)

8、字顯微鏡觀察激光作用前后金剛石砂輪表面的微觀形貌。激光掃描過程中若能量密度過大會(huì)引起結(jié)合劑過熔而削弱結(jié)合劑對(duì)磨料的把持能力，同時(shí)還會(huì)對(duì)金剛石產(chǎn)生不利影響；若能量密度過小則不能熔化結(jié)合劑，起不到修整的作用。因此合理確定激光功率、掃描速度及焦點(diǎn)高度等基本參數(shù)對(duì)修整效果非常關(guān)鍵。設(shè)激光光斑直徑為d(mm)，掃描速度為(mm/min)，功率為P(W)，則單位掃描面積上的平均能量E 可表達(dá)為 對(duì)于給定的結(jié)合劑材料，根據(jù)上面的分析可知，E必須在某個(gè)相應(yīng)的范圍內(nèi)取值，即存在上下限。激光功率、掃描速度及焦點(diǎn)高度(影響激光光斑直徑)最終通過式(1)對(duì)修銳效果綜合產(chǎn)生影響。激光修銳砂輪時(shí)，激光束垂直作用于砂

9、輪表面，通過數(shù)控系統(tǒng)控制砂輪的切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度，激光器控制激光輸出功率，砂輪表面離光束焦點(diǎn)的距離為2mm。試驗(yàn)裝置實(shí)物照片如圖1所示。 1.4 激光修銳后砂輪表面的微觀形貌 樹脂結(jié)合劑、黃銅結(jié)合劑金剛石砂輪磨損后的表面形貌分別見圖2、圖3。 金剛石砂輪磨損形式主要表現(xiàn)為磨粒脫落、破碎和磨耗，砂輪表面的有效磨粒數(shù)減少，磨粒突出高度和容屑空間減少。經(jīng)過修銳后的樹脂結(jié)合劑、黃銅結(jié)合劑金剛石砂輪表面的微觀形貌分別見圖4、圖5。 一 從圖中可看出，單顆金剛石磨粒形狀完整，未產(chǎn)生損傷。樹脂結(jié)合劑是高分子材料，沒有固定熔點(diǎn)，在激光作用下表面局部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其分解溫度350℃

10、 ，樹脂材料以氣化形式被去除，去除量均勻。對(duì)于黃銅結(jié)合劑而言，當(dāng)材料表面溫度升到稍低于其蒸發(fā)溫度時(shí)，固態(tài)金屬首先熔化，繼而出現(xiàn)氣相，金屬蒸氣攜液相一起噴出。金屬氣化后，激光仍繼續(xù)提供能量，而金屬蒸氣比固態(tài)金屬吸收更多的激光能量，使照射區(qū)域的底部形成更強(qiáng)烈的金屬噴射和飛濺。激光作用停止后，部分濺出的液相金屬形成再結(jié)晶的球狀物附著在砂輪表面，熔化而未濺出的液相金屬在凹坑周圍形成再結(jié)晶層。修銳后的砂輪表面具有較大的磨粒突出高度和容屑空間。 1.5 有限元計(jì)算條件 由于砂輪是一種非均質(zhì)多相的各相異性的復(fù)合材料，并且砂 內(nèi)各點(diǎn)的屬性隨溫度變化而變化，因此要對(duì)砂輪體內(nèi)的每一點(diǎn)的屬性作出計(jì)算，其計(jì)

11、算量和難度都相當(dāng)大。麥克斯韋研究了兩相混合物的導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式 上式中的為金剛石砂輪混合物的導(dǎo)熱系數(shù)；x=為樹脂結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑導(dǎo)熱系數(shù)與金剛石砂輪磨粒導(dǎo)熱系數(shù)之比；為金剛石磨粒的體積分?jǐn)?shù)。另外科伯-奈曼定律給出了兩混合物的比熱容的計(jì)算公式為 式中的是A相金屬的比熱容，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為M；是B相屬比熱容，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為N。 邊界條件的處理如下：激光輔助機(jī)械修整金剛石砂輪相 在其上施加一個(gè)局部瞬時(shí)熱源，熱流密度為，P為激光功率，D為光班直徑，作用時(shí)間為D/V；工作出使溫度溫度為砂輪周圍環(huán)境溫度25；對(duì)流換熱系數(shù)為200；其他計(jì)算條件如下圖所示。

12、 表1 激光輔助機(jī)械修整金剛石砂輪的條件 Characteristics Parameters Diamondwheel 1A1/T2 100x10x20x4RVD150 M75 Speed of wheel/(mm/s) 6 Power of continuous laser/W 55 Distance from laser focus

13、/mm +2 表2 聚酰亞胺和金剛石的熱物理特性 Polyimide Diamond Density /(g/) 1.38 3.48~3.56 Thermal conductivity /[W/(m.K)] 0.35~0.95 146 Specific heat /[J/(kg.K)]

14、 1130~1297 509 Melting point / 250~400 3700~4000 有以上的公式和砂輪的材料性能參數(shù)可以得到砂輪的密度為2.985g/,熱系數(shù)為6.2 W/(m.K)；比熱容為464.13 J/(kg.K)其熱流密度為1100Kw/ 。 第二章 有限元熱分析原理的簡(jiǎn)介 2.1.3 偶合場(chǎng)分析 ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱相關(guān)的其他諸多問題，如熱——應(yīng)力、熱——電、熱——磁等。我們稱這類涉及兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)相

15、互作用的問題為偶合場(chǎng)分析。ANSYS提供了兩種分析偶合場(chǎng)的方法：直接偶合和間接偶合。 1.1.1 直接偶合法 直接偶合解法的偶合單元包含所以必須的自由度，僅僅通過一次求解就能得出偶合場(chǎng)分析結(jié)果。這種方法實(shí)際上是通過計(jì)算包含所以必須項(xiàng)的單元矩陣或單元載荷向量來實(shí)現(xiàn)的。 下面列出了所以與熱分析相關(guān)的偶合場(chǎng)單元。 PLANE 13 維度：2-D 偶合場(chǎng)：熱——應(yīng)力 節(jié)點(diǎn)數(shù)：4 自由度：溫度、結(jié)構(gòu)位移、電勢(shì)、矢量磁位 CONTACT 48 維度：2-D 偶合場(chǎng)：熱——應(yīng)力 節(jié)點(diǎn)數(shù)：3 自由度：溫度、結(jié)構(gòu)位移

16、 CONTACT 49 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——應(yīng)力 節(jié)點(diǎn)數(shù)：5 自由度：溫度、結(jié)構(gòu)位移 FLUID 66 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——流體 節(jié)點(diǎn)數(shù)：2或4 自由度：溫度、壓力 FLUID 116 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——流體 節(jié)點(diǎn)數(shù)：2或4 自由度：溫度、壓力 SOLID 5 維度：3D 偶合場(chǎng)：熱——應(yīng)力、熱——電 節(jié)點(diǎn)數(shù)：8 自由度：溫度、結(jié)構(gòu)位移、電勢(shì)、磁標(biāo)勢(shì) SOLID 98

17、 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——應(yīng)力、熱——電 節(jié)點(diǎn)數(shù)：10 自由度：溫度、結(jié)構(gòu)位移、電勢(shì)、矢量磁位 PLANE 67 維度：2-D 偶合場(chǎng)：熱——電 節(jié)點(diǎn)數(shù)：4 自由度：溫度、電勢(shì) LINK 68 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——電 節(jié)點(diǎn)數(shù)：2 自由度：溫度、電勢(shì) SOLID 69 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——電 節(jié)點(diǎn)數(shù)：8 自由度：溫度、電勢(shì) SHELL 157 維度：3-D 偶合場(chǎng)：熱——電 節(jié)電數(shù)：4 自由度：溫度、電勢(shì) 間接偶合 間接

18、偶合法又稱序貫偶合法，通過把第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次場(chǎng)分析的載荷來實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)的偶合。例如熱——應(yīng)力偶合分析是將熱分析得到的接點(diǎn)溫度作為載荷施加在后序的應(yīng)力分析中來實(shí)現(xiàn)偶合的。 圖1-5為間接偶合法數(shù)據(jù)流圖，先進(jìn)行分析1的計(jì)算，產(chǎn)生的結(jié)果文件1。然后將其載入到分析2中，進(jìn)行計(jì)算后，最后形成結(jié)果文件2。 分析2 分析1 結(jié)果文件1 結(jié)果文件2

19、 2.2 熱分析的基礎(chǔ)知識(shí) 2.2.1 三種基本傳熱方式 傳導(dǎo) 當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度差時(shí)，熱量將從高溫部分傳遞到低溫部分；而且不同溫度的物體相互接觸時(shí)熱量會(huì)從高溫物體傳遞到低溫物體。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)。 對(duì)流 對(duì)流是指溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞方式。高溫物體表面常常發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象。這是因?yàn)楦邷乇砻娓浇目諝庖蚴軣岫蛎?，密度降低并向上流?dòng)。與此同時(shí)，密度較大的冷空氣將下降并代替原來的受熱空氣。 輻射 與傳導(dǎo)和對(duì)

20、流不同，熱輻射是通過電磁波的方式傳遞能量的過程。輻射不需要物體之間的直接接觸，也不需要任何中間介質(zhì)。 同一物體，溫度不同時(shí)的熱輻射能力不一樣，溫度相同的不同物體的熱輻射能力也不一樣。同一溫度下黑體的熱輻射能力最強(qiáng)。 自然界中的任何物體都在不斷地向周圍空間發(fā)射輻射能，并吸收來自空間其他物體的輻射能。這種輻射和吸收過程的綜合作用便形成了輻射換熱過程。 2.2.2熱分析基本材料屬性 用ANSYS進(jìn)行熱分析時(shí)，需要給出每一實(shí)體材料屬性。與熱分析直接相關(guān)的屬性包括：熱傳導(dǎo)率、比熱容，焓、對(duì)流換熱系數(shù)、輻射系數(shù)、生熱率。 比熱容 比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)每升高（或降低）1C所吸收（或放出）的熱

21、量。單位為J/Kg.C) 焓 焓的定義式為： H=U+PV 式中，H為焓，U為內(nèi)能，P、V分別為壓力和溫度。 生熱率 生熱率既可用作材料屬性賦予材料，又可用作體載荷施加到單元上，用以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱，其單位是單位體積的熱流率。 2.3瞬態(tài)熱分析 2.3.1 瞬態(tài)熱分析的應(yīng)用 溫度場(chǎng)隨時(shí)間而發(fā)生變化的傳熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。實(shí)際上，無論是在自然界還是在工程中，絕大部分傳熱過程都是非穩(wěn)態(tài)傳熱。這類傳熱按照其過程進(jìn)行的特點(diǎn)，可分為周期性傳熱和非周期性傳熱兩種。在周期性傳熱過程中，導(dǎo)熱物體內(nèi)的溫度以一定的規(guī)律，隨時(shí)間周期性變化。如自然界大地表層土壤

22、在一晝夜和一年四季中，它的溫度場(chǎng)都是周期性變化的。又如在穩(wěn)定情況下運(yùn)行中的往復(fù)式熱機(jī)，汽缸壁內(nèi)的導(dǎo)熱也是周期性的。而在非周期性的傳熱過程中物體內(nèi)的溫度隨著時(shí)間的不斷升高或降低，并在經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后逐漸趨于周期介質(zhì)的溫度而最終達(dá)到平衡。這類傳熱過程又稱為瞬態(tài)傳熱。如熱力機(jī)械的啟動(dòng)過程和挺機(jī)過程，各種熱處理過程中的工件被加熱或被冷卻時(shí)，都是瞬態(tài)傳熱。 2.3.2瞬態(tài)熱分析的基本步驟 ANSYS瞬態(tài)熱分析的基本步驟包括構(gòu)件模型、施加載荷、求解與后處理。 構(gòu)建模型 模型的夠建步驟如下所示： （1） 確定作業(yè)名，標(biāo)題與單位 （2） 進(jìn)入Preprocessor前處理。 （3） 設(shè)置單元類型

23、，設(shè)置單元選項(xiàng)，定義單元實(shí)常數(shù)； （4） 設(shè)置材料屬性。 （5） 創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。 施加載荷計(jì)算 定義分析類型 若進(jìn)行新的瞬態(tài)熱分析 GUI：Main Menu/Solution/AnslysisType/Transient 若接著上次的計(jì)算繼續(xù)進(jìn)行分析 GUI：Main Menu/Solution/AnslysisType/Restart 設(shè)置熱分析的初始條件 1． 設(shè)置均勻溫度場(chǎng) 如果已知模型的初始溫度是均勻的，可設(shè)定所以的節(jié)點(diǎn)的初始溫度值。 點(diǎn)擊Main Menu/Solution/Loads-Setting/Uniform Temp。 2.

24、設(shè)置參考溫度 定義參考溫度是用于熱應(yīng)變的計(jì)算，熱應(yīng)變?cè)跀?shù)值上等于a*(T-TREF),其中a為熱膨脹系數(shù)，TREF為參考溫度。參考溫度值默認(rèn)為零，但可通過如下方式進(jìn)行設(shè)定： GUI: Main Menu/Solution/Loads-Setting/Reference Temp,用于輸入?yún)⒖紲囟戎怠? 2． 設(shè)置節(jié)點(diǎn)溫度 節(jié)點(diǎn)溫度的設(shè)定則可以按如下方法進(jìn)行： GUI: Main Menu/Solution/Loads-Apply/Thermal-Temperature/On node.按GUI的方式操作，將出現(xiàn)如圖4-5所示的畫面。若節(jié)點(diǎn)溫度值設(shè)為常數(shù)，則該節(jié)點(diǎn)的溫度在整個(gè)瞬態(tài)熱分析過

25、程中將保持不變。當(dāng)然，節(jié)點(diǎn)的溫度也可以通過現(xiàn)存的表格（Existing Table）或新建表格（New Table）的方式進(jìn)行設(shè)定。 3． 設(shè)置節(jié)點(diǎn)初始溫度 在瞬態(tài)熱分析中，若節(jié)點(diǎn)溫度的初始值是已知的，則可通過如下方法進(jìn)行設(shè)定：Main Menu/Solution/Loads-Apply/Initial Conditn/Define,GUI方式操作，選中欲施加初始溫度值的節(jié)點(diǎn)后，將出現(xiàn)如圖4-6所示的畫面，在圖4-6中，從DOF to be specified下拉列表中選擇Temp，并Initil value of DOF文本框中輸入一定的溫度值，然后點(diǎn)擊OK確定，即可定義所選節(jié)點(diǎn)的初始溫

26、度值。 4． 通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲取初始溫度基本參數(shù) 如果初始溫度場(chǎng)是不均勻的且又是未知的，就必須首先作穩(wěn)態(tài)熱分析建立初始條件： 設(shè)定載荷（如已知的溫度、熱對(duì)流等） 寫入載荷步文件： GUI:Main Menu/Preprocessor/Loads/Write LS File 或先求解：Main Menu/Solution/Solve/Current LS 求解 在對(duì)一個(gè)瞬態(tài)熱分析問題進(jìn)行求解時(shí)，與穩(wěn)態(tài)熱分析類似，通常也需要指定一些關(guān)鍵的載荷步選項(xiàng)。其中包括：Time/Frequenc選項(xiàng)、非線性選項(xiàng)以及輸出選項(xiàng)。 （1） Time/Frequenc選項(xiàng) 指定載荷步的結(jié)束時(shí)

27、間： GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps 設(shè)置載荷步的載荷子步數(shù)（或時(shí)間增量） 對(duì)于非線性分析，每個(gè)載荷步需要多個(gè)載荷子步。時(shí)間步長(zhǎng)的大小關(guān)系到計(jì)算的精度。步長(zhǎng)越小，計(jì)算精度越高，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)。GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps 設(shè)置Stepped選項(xiàng)與Ramped選項(xiàng) 如果載荷在這個(gè)載荷步是恒定的，需要設(shè)為Stepped選項(xiàng)；如果載荷值隨著時(shí)間線性變化，則要設(shè)定為Ramped選項(xiàng)。GUI:Men

28、u/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps 自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)：本選項(xiàng)為ON時(shí)，在求解過程中將自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time and Substps 時(shí)間積分效果：如果將此選項(xiàng)設(shè)定為OFF，將進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析。GUI:Menu/Solution/Load Step Opts-Time/Frequenc/Time Integration （1） 非線性選項(xiàng) 若點(diǎn)擊GUI:Menu/Solution/Load Step Opts

29、-Nonlinear,將出現(xiàn)如圖3-3所示的非線性選項(xiàng)對(duì)話框。 （2） 求解 GUI:Menu/Solution/Current LS 后處理 對(duì)于瞬態(tài)熱分析問題，ANSYS提供了兩種后處理方式，POST1和POST26。 POST1用于對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步（時(shí)間點(diǎn)）的結(jié)果進(jìn)行后處理：GUI：Main Menu/General Postproc （1） 用POST1進(jìn)行后處理 進(jìn)入POST1后，可以讀取某一時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果：GUI：Main Menu/General Postproc/Read Results/By Time/Freq 如果設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)不

30、在任何一個(gè)子步的時(shí)間帶點(diǎn)上，ANSYS會(huì)進(jìn)行線性插值。 此外還可以讀取某一載荷步的結(jié)果：GUI：Main Menu/General Postproc/Read Results/By Load Step 然后就可以采用與穩(wěn)態(tài)熱分析類似的方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行彩色云圖顯示、適量圖顯示、打印列表等后處理。 （2） 用POST26進(jìn)行后處理 首先要定義變量：GUI：Main Menu/TimeHist Postproc/Define Variables 或列表輸出：GUI：Main Menu/TimeHist Postproc/List Variables 第三章 有限元分析的步驟 （1） 3

31、.1：定義單元類型 （1） 選擇Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Types對(duì)話框。。 （2） 點(diǎn)擊Add按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types對(duì)話框。所示。 （3） 在Library of Element Types第一列表框中選擇Thermal Solid,在第二個(gè)列表框中選擇Brick 8node 70,在Element type reference number文本中輸入1。 （4） 單擊Apply按鈕，重新在Libra

32、ry of Element Types第一列的對(duì)話框中選擇Surface Effect, 在第二列表框中選擇3D thermal 152, 在Element type reference number文本框中輸入2。 （5） 單擊OK按鈕,關(guān)閉 Library of Element Types對(duì)話框，所選擇的單元類型。 （6）單擊OK按鈕, 關(guān)閉Element Types對(duì)話框。 3.2：定義材料性能參數(shù) 選擇Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models命令，出現(xiàn)Define Material Modle Behavio

33、r窗口。 （1） 在Material Modle Available一欄中雙擊Thermal選項(xiàng)，出現(xiàn)Conductivity項(xiàng)后雙擊之，然后再雙擊Isotropic選項(xiàng)，出現(xiàn)Conductivity for Material Number 1對(duì)話框，在KXX文本中輸入砂輪的混合的導(dǎo)熱系數(shù)6.2，。 （2） 單擊OK，關(guān)閉Conductivity for Material Number 1對(duì)話框。 （3） 在Define Material Modle Behavior窗口中雙擊Density選項(xiàng)，出現(xiàn)Density for Material Number 1對(duì)話框，在DENS文

34、本框中輸入砂輪的混合密度298。 （4） 單擊OK，關(guān)閉Density for Material Number 1對(duì)話框。 （5） 在Define Material Modle Behavior窗口中雙擊Specific Heat選項(xiàng)，出現(xiàn)Specific Heat for Material Number 1對(duì)話框，在C文本框中輸入砂輪的混合比熱464.13，。 （6） 單擊OK，關(guān)閉Specific Heat for Material Number 1對(duì)話框。 （7） 在Define Material Modle Behavior窗口中雙擊Convection or Fi

35、lm Coef.選項(xiàng)，出現(xiàn)Convection or Film Coef for Material Number 1對(duì)話框，在HF中輸入砂輪的對(duì)流熱交換系數(shù)200。。 （8） 單擊OK，關(guān)閉Convection or Film Coef for Material Number 1對(duì)話框。 所定義的材料性能參數(shù)。 （9） 選擇Material|Exit命令關(guān)閉Define Material Modle Behavior窗口。 3.3：建立模型 （1） 選擇Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Keypoints|In Active C

36、S命令會(huì)彈出Create Keypoints In Active CS對(duì)話框。 （2） 在NTP Keypiont number文本框中輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)1，在X,Y,ZLocation in active CS文本框中分別輸入第1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值1，0，0，，單擊Apply按鈕。 （3） 重新在NTP Keypiont number文本框中輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)2，在X,Y,ZLocation in active CS文本框中分別輸入第2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值-1，0，0。 （4） 單擊OK按鈕，關(guān)閉Create Keypoints In Active CS對(duì)話框。生成如的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

37、 （5） 選擇 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas|Rectangle|By Dimensions命令，出現(xiàn)Create Rectangle by Dimensions對(duì)話框。 （6）在X1,X2 X-coordinates文本框中分別輸入0,0.01, 在Y1,Y2 Y-coordinates文本框中分別輸入0.02,0.1, 單擊OK按鈕，關(guān)閉Create Rectangle by Dimensions對(duì)話框。 （6） 將工作面轉(zhuǎn)換到Y(jié)-Z平面內(nèi)，

38、 （8） 選擇 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Extrude|Areas|about axis命令，出現(xiàn)Sweep Areas about axis對(duì)話框。 （9）在對(duì)話框中輸入1，單擊OK按鈕，然后在輸入1，2，單擊OK， 關(guān)閉該對(duì)話框。同時(shí)彈出新的對(duì)話框。 （10） 在ARC Arc length in degrees中輸入1。 （10）單擊OK，關(guān)閉Sweep Areas about axis對(duì)話框。將得到如下 （11）重新選擇

39、 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Extrude|Areas|about axis命令，出現(xiàn)Sweep Areas about axis對(duì)話框。 （12）在ARC Arc length in degrees中輸入-359。 （13）單擊OK，關(guān)閉Sweep Areas about axis對(duì)話框。將得到如下圖所示的其余359度的砂輪外型。 （14）選擇 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Boolea

40、ns|Glue|Volumes,彈出Glue Volumes對(duì)話框，單擊Pick All,將著兩部分粘結(jié)在一塊，得到如下圖所示的砂輪模型。 3.4：劃分網(wǎng)格 （1）選擇 Main Menu|Preprocessor|Meshing|Mesh Attributes|Default Attribs命令，將出現(xiàn)Mesh Attributes對(duì)話框。 （2）在[TYPE] Element Type number中選擇1 SOLIOD70。如下圖所示。

41、 （3）單擊OK，關(guān)閉Mesh Attributes對(duì)話框。 （4）選擇

42、 Main Menu|Preprocessor|Meshing|MeshTool命令，將出現(xiàn)MeshTool對(duì)話框。如下圖所示。 （5）選擇Hex/Wedge,Sweep,然后單擊Sweep按鈕，彈出Volume Sweeping對(duì)話框， （6） 選中要?jiǎng)澐值乃膲K較大的體積，單擊OK按鈕，即顯示出其被劃分后的網(wǎng)格情況。 （7） 選擇 Main Menu|Preprocessor|Meshing|MeshTool命令，將出現(xiàn)MeshTool對(duì)話框。 （8） 選擇Hex/Wedge,Sweep,

43、然后單擊Sweep按鈕，彈出Volume Sweeping對(duì)話框。 （9） 選中要?jiǎng)澐值妮^小的體積，單擊OK按鈕，即顯示出其被劃分后的網(wǎng)格情況。 （10） 單擊Close，關(guān)閉MeshTool對(duì)話框。將得到如下圖所示的砂輪的網(wǎng)格。 其局部放大圖如下圖所示。 3.5：加載求解 （1） 選擇 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Elements|Elem Attributes 命 令，出現(xiàn)Element Attributes對(duì)話框。在

44、[TYPE] Elenment type number中選擇2 SURF152,如下圖所示。 （2） 單擊OK，關(guān)閉Element Attributes對(duì)話框。 （3） 選擇Main Menu|Solution|Analysis Type|New Analysis命令，出現(xiàn)New Analysis對(duì)話框。 （4） 選中Transient單選按鈕，如下圖所示。 （5） 單擊OK按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis對(duì)話框，如下圖所示，采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 （6） 選擇Main Menu|Solution|Load Step Opts|

45、Time/Frequence|Time Integration|Amplitude Decay命令，出現(xiàn)Time Integration Control對(duì)話框。 （7） 在TIMINT選項(xiàng)中激活Off，關(guān)閉瞬態(tài)分析選項(xiàng)，其他采用默認(rèn)設(shè)置，，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。 （8） Main Menu|Solution|Load Step Opts|Time/Frequence|Time-Time Step命令，出現(xiàn)Time And Time Step Options對(duì)話框。 （9） 在[TIME] Time at end of Load step文本框中輸入終止時(shí)間0.01，在[DELTIM

46、] Time step size文本框中輸入時(shí)間步長(zhǎng)0.01，，其他采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 （10） 選擇Utility Menu|Select|Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。 （11） 在第1個(gè)下拉列表框中選擇Elements,在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Attributes,在第3選項(xiàng)組中選中Material num單選按鈕，在Min,Max,Inc文本框中輸入1。 （12） 單擊Apply按鈕，在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to，在第3選項(xiàng)組中選中Elements單選按鈕，單

47、擊OK按鈕。 （13） 選擇Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Thermal|Temperature|On Nodes命令，出現(xiàn) Apply TEMP Nodes對(duì)話框。 （14） 單擊Pick All按鈕，出現(xiàn)Apply TEMP on Nodes對(duì)話框。 （15） 在VALUE Load TEMP value文本框中輸入25，單擊OK按鈕。 加載環(huán)境溫度后的砂輪如下圖所示。 （16） 選擇Utility Menu|Select|Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。 （17） 在第1個(gè)下拉列表框中選擇A

48、reas,在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Num/Pick,在第3選項(xiàng)組中選中From Full單選按鈕。 （18） 單擊Apply,出現(xiàn)Select lines對(duì)話框。 （19） 用鼠標(biāo)在熒屏上選取需要加載的面，單擊OK按鈕。 （20） 在Select Entities對(duì)話框中重新進(jìn)行選擇，在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to，在第3選項(xiàng)組中選中Areas,All單選按鈕，單擊OK按鈕。 （21） 選擇Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Thermal|Heat Flux|On Nodes命令，出現(xiàn)

49、Apply HFLUX Nodes對(duì)話框。 （22） 單擊Pick All按鈕，出現(xiàn)Apply HFLUX on Nodes對(duì)話框。 （23） 在VALUE Load HFLUX value文本框中輸入1100000，單擊OK按鈕。如下圖所示。 加載后的效果如下圖所示。 （24） 選擇Utility Menu|Select|Everything命令，選中所以的點(diǎn)、線、面、體。 （25） 選擇Main Menu|Solution|Solve|Current LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，同時(shí)出現(xiàn)/STATUS Command 窗口，選擇Fi

50、le|Close命令，關(guān)閉該窗口。如下圖所示。 （26） 單擊Solve Current Load Step對(duì)話框中的OK按鈕，ANSYS開始進(jìn)行求解計(jì)算。 （27） 求解結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)Solution is done提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉該提示框。 （28） 選擇Main Menu|Solution|Load Step Opts|Time/Frequence|Time-Time Step命令，出現(xiàn)Time And Time Step Options對(duì)話框。 （29） 在[TIME] Time at end of

51、Load step文本框中輸入終止時(shí)間1.3，在[DELTIM] Time step size文本框中輸入時(shí)間步長(zhǎng)0.1，在[DELTIM] Manimum time step size文本框中輸入最小的時(shí)間步長(zhǎng)0.1，在[DELTIM] Maximum time step size選項(xiàng)中輸入最大時(shí)間步長(zhǎng)0.5，在[AUTOTS] Automatic time stepping選項(xiàng)組中選中ON單選按鈕，如下圖所示，其他采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 （30） 選擇Main Menu|Solution|Load Step Opts|Time/Frequence|Time Int

52、egration|Amplitude Decay命令，出現(xiàn)Time Integration Control對(duì)話框。 （31） 在TIMINT選項(xiàng)中激活ON，打開瞬態(tài)分析選項(xiàng)，其他采用默認(rèn)設(shè)置，如下圖所示，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。 （32） 選擇Main Menu|Solution|Define Loads|Delete|Thermal|Temperture|On Nodes命令，出現(xiàn)Delete TEMP on Nodes對(duì)話框，單擊Pick All按鈕。 （33） 選擇Main Menu|Solution|Load Step Opts|Output Ctrls|DB/Result

53、s File命令，出現(xiàn)Controls for Database and Results File Writing對(duì)話框。 （34） 在Item Item to be controlled下拉列表框中選取All items,在FREQ File write frequency選項(xiàng)中選擇Last substep單選按鈕，在Value of N文本框中輸入1，如下圖所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 （35） 選擇Main Menu|Solution|Solve|Current LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，同時(shí)出現(xiàn)/STATUS Command 窗

54、口，選擇File|Close命令，關(guān)閉該窗口。如下圖所示。 （36） 單擊Solve Current Load Step對(duì)話框中的OK按鈕，ANSYS開始進(jìn)行求解計(jì)算。 （37） 求解結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)Solution is done提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉該提示框。 （38） 選擇Utility Menu|Finish命令。 3.6：查看計(jì)算結(jié)果 （1） 選擇Main Menu|General Postproc|Read Result|Last Set命令。 （2） 選擇Utility Menu|Select|Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。 （

55、3） 在第1個(gè)下拉列表框中選擇Elements,在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Attributes,在第3選項(xiàng)組中選中Material num單選按鈕，在Min,Max,Inc文本框中輸入1。 （4） 單擊Apply按鈕，在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to，在第3選項(xiàng)組中選中Elements單選按鈕，單擊OK按鈕。 （5） 選擇Main Menu|General Postproc|Plot Result|Contour Plot|Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對(duì)話框。 （6） 在Item

56、,Comp Item to be contoured單選按鈕中選取DOF solution, 在KUND Items to be plotted選項(xiàng)組中選取Def shape only選項(xiàng)組中選取Def shape only單選按鈕。如下圖所示。 （7） 單擊OK按鈕，則ANSYS窗口將顯示砂輪的溫度場(chǎng)分布圖。如下圖所示。 其局部放大的溫度場(chǎng)分布圖如下圖所示。 第四章 結(jié) 論 激光修整金剛石砂輪是金剛石砂輪修整的新方法。運(yùn)用ANSYS有限元法建立了激光作用下砂輪溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，在綜合考慮各種因素條件下可以得

57、到與實(shí)際情況較為相近的溫度場(chǎng)分布圖，減少了運(yùn)算量，所得結(jié)果簡(jiǎn)便直觀。所建立的金剛石砂輪溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可以對(duì)砂輪修整過程進(jìn)行前期預(yù)測(cè)、工藝參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化等，避免加熱溫度過高使砂輪表面金剛石顆粒石墨化，或加熱溫度不足使砂輪表面硬度下降不夠等情況的發(fā)生，減少金剛石修整筆的磨損，提高砂輪表面修整質(zhì)量。 4 結(jié)束語 上等研磨劑砂輪的準(zhǔn)備,包括修整和裝飾,遺留一個(gè)最重要的改善研磨技術(shù)的重要效力用于上等研磨劑砂輪達(dá)到滿意的范圍，在這項(xiàng)研究中，在根據(jù)砂輪的表面特征詳細(xì)的證明他們是可行性之前，新的激光輔助修整和裝飾已經(jīng)被提議和分析，在激光輻

58、射之后，3維力的特征、單一金剛石修整器的磨損、包括線性度線性跳動(dòng)砂輪形態(tài)在內(nèi)的修整精確性。一些結(jié)果已經(jīng)和那些傳統(tǒng)的機(jī)械修整技比較，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明新的激光輔助修整和裝飾技術(shù)比傳統(tǒng)的單一金剛石方法有很多的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)維持修整的精確性在相同的水平時(shí)，激光輔助修整的效率要傳統(tǒng)的修整高的多，大約為其5倍。金剛石修整器的在激光輔助修整中的磨損速度要比機(jī)械的修整慢的多。另外，在激光輔助修整中修整力的特征也顯示出了不同，特殊修整壓要比在機(jī)械修整中小的多，推力與切削力的比率在激光輔助修整中也你在機(jī)械修整中小的多，在第一個(gè)修整周期后激光輔助修整和機(jī)械修整得到類似的砂輪表面輪廓，在第二次后卻不相同。當(dāng)由機(jī)械修整研磨的突

59、起得到砂輪表面特征，在連續(xù)修整之后激光輔助修整得一致的砂輪特征。這個(gè)的不同應(yīng)歸于兩種修整技術(shù)之間的金剛石修整器的磨損速度的不同。激光輔助修整的修整力的特征與機(jī)械修整的不同也被發(fā)現(xiàn)，3維的修整力要比傳統(tǒng)的小的多，與激光援助、機(jī)械修整不同，在激光輔助修整中推力占切削力的比率稍微和機(jī)械修整不同。調(diào)查修整碎片裝置和砂輪表面條件后顯示下面的排屑裝置和激光輔助修整、傳統(tǒng)的修整方法有很大的不同，在這種形式下，碎片主要是氮化硼微粒的尺寸大小為60~70微米，后來主要是由修整器穿過玻璃狀結(jié)合物生成的微小的陶瓷粉末。機(jī)械修整后在砂輪表面有大量的微小的陶瓷粉末黏附著，在激光輔助修整后產(chǎn)生完美的多孔結(jié)構(gòu)，激光輻射在砂

60、輪結(jié)合劑氮化硼研磨劑上，在激光發(fā)射還沒有切削時(shí)檢驗(yàn)砂輪的表面特征，顯示在砂輪的表面熔化的陶瓷結(jié)合物又重新凝固。這個(gè)提議激光輔助修整和裝飾本質(zhì)是依賴于激光輻射使硬的陶瓷結(jié)合物變軟并很容易去處。 謝辭 在本設(shè)計(jì)完成過程中，我的導(dǎo)師王艷老師給了我很大幫助和教誨，我的好友揚(yáng)陳同學(xué)以及室友黃成專同學(xué)給了我很大的幫助和方便，在此表示衷心的感謝；同時(shí)也感謝各位老師在我大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生涯中，在各科目的學(xué)習(xí)中給予我的指導(dǎo)和幫助，對(duì)所選參考文獻(xiàn)的作者一并表示感謝。 參考文獻(xiàn) 1． 唐興倫等，ANSYS工程應(yīng)用教程，中國(guó)鐵道出版社。

61、2． 王艷等，激光輔助機(jī)械修整金剛石砂輪的溫度場(chǎng)分析，中國(guó)激光，2005 第3期。 3． 張朝輝等，ANSYS工程應(yīng)用 范例入門與提高，清華大學(xué)出版社。 4． 全墮型 史興寬等，激光修整金剛石砂輪的研究。 5． 王艷等，金剛石砂輪的激光修整技術(shù)，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200030。 6． 薄宵，磨工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)，江蘇科學(xué)技術(shù)出版社。 7． 倪棟，段進(jìn)等，通用有限元分析ANSYS7.0實(shí)例精解，電子工業(yè)出版社。 8． 康任科等，激光修整金剛石砂輪的研究，西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999年11月第4期。 9． 傅文宏等，金剛石砂輪的激光修整技術(shù)研究，機(jī)械學(xué)報(bào)，2004年第4期。 10． 王艷等，金剛石砂輪修整新技術(shù)的研究，電加工與模具，2003年第5期。 31