CN110046375A - 一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种颗粒增强钛基复合材料磨削温度预测方法，属于瞬态传热仿真分析方法，包括以下步骤：步骤一：颗粒增强钛基复合材料中增强颗粒分布规律统计；步骤二：三维复合材料有限元仿真建模；步骤三：有限元仿真边界条件设定；步骤四：三维温度场仿真分析与验证。本发明方法可以预测钛基复材磨削温度，与现有方法相比具有准确性更高、计算效率更高等优点。利用该方法可以准确预测颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度，为避免磨削烧伤和提高磨削质量提供基础数据与理论支持。
Description
技术领域
本发明提供一种颗粒增强钛基复合材料磨削温度预测方法，它涉及一种瞬态传热仿真分析方法，属于有限元仿真技术领域。
背景技术
颗粒增强钛基复合材料(以下简称PTMCs)是指以钛或其合金为基体，与碳/硼化物复合的一种新型材料。考虑到与基体材料的匹配性，一般以具有高模量、高强度、高硬度和良好高温性能的碳/硼化物为增强体，如TiC、TiB2、SiC、B4C和TiB等。与钛合金相比，钛基复合材料具有更好的高温性能、耐腐蚀性能和疲劳性能。
PTMCs作为一种新型的复合材料，具有结构重量轻、强度高、耐磨性强、抗疲劳性好等优势，在汽车、航空航天等领域具有广阔应用前景。例如，丰田公司研制的TiB/Ti-7Mo-4Fe-2Al-2V复合材料，成功应用在汽车发动机零件中；美国研制的TiCp/Ti-6Al-4V复合材料，已经成功应用于飞机发动机零件、导弹壳和火箭尾翼。
现阶段，高速磨削技术是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，所带来的技术上的革命，为实现钛基复合材料高效精密加工提供了一条有效途径。在高速磨削加工过程中，保持其他参数不变，随着砂轮速度大幅提高，单位时间内磨削区的磨粒数增加，单颗磨粒切厚变薄，从而可以降低零件的尺寸和形状误差。然而高速磨削时，磨削速度超过80m/s、工件进给速度达3000mm/min、单颗磨粒切厚在微米级别，工件材料在极短的时间内受砂轮工作面上众多磨粒切削、耕犁、划擦等作用并产生大量的磨削热，直接影响砂轮的磨削状态、工件的磨削质量。当磨削温度超过工件材料相变的温度则会发生磨削烧伤，表现为工件表面材料的晶相结构发生变化，并伴随着表层微观组织的变化，生成氧化膜。其结果是导致零件的尺寸形状精度不达标、抗疲劳性能变差、耐磨性降低使用寿命缩短、可靠性降低等变化，此外也加剧砂轮磨损。磨削温度过高已成为高速磨削应用拓展的一大障碍。
发明内容
发明目的
为克服现有技术中高速磨削钛基复材磨削温度难以控制，从而导致加工表面烧伤降低磨削加工表面质量与精度、加剧工具磨损、降低加工效率的难题，本发明提出了一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，揭示了磨削工艺参数对磨削温度的影响规律，利用该方法可以准确预测颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度，可为工艺参数优化、提高磨削质量提供基础数据与理论支持。
技术方案
本发明所述的颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，建立颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度场的三维复合材料有限元仿真模型，该模型体现出颗粒增强钛基复合材料的微观结构特征，突出了增强颗粒TiC形状、尺寸和随机性分布特征，步骤是：
步骤一：颗粒增强钛基复合材料中增强颗粒分布规律统计；
步骤二：三维复合材料有限元仿真建模；
步骤三：有限元仿真边界条件设定；
步骤四：三维温度场仿真分析与验证。
所述步骤具体如下：
步骤一：钛基复合材料中TiC增强颗粒分布规律统计
首先，通过专业图像处理软件ImageJ将扫描电镜获取的PTMCs微观结构图转化为二值化图，在二值化图中白色表示Ti-6Al-4V基体材料，黑色表示TiC增强颗粒，如图2所示。
然后，用等距当量椭球对TiC增强颗粒进行简化，等距当量法优势在于简化前后形心距和体积保持不变，原图形形状信息更多保留，并且求解简单有效。将增强颗粒简化为等距当量椭球，统计椭球长轴a数值和椭圆的短长轴之比c＝b/a，这两个参数可以确定TiC颗粒的大小与扁平程度，基于此可以得到TiC颗粒形状分布规律，如图3所示。
步骤二：三维复合材料有限元仿真建模
三维复合材料有限元仿真建模包括工件模型建立、单元类型选取和网格划分。在三维复合材料有限元仿真模型中，增强颗粒仿真几何模型如图4所示，其中TiC增强颗粒的形状和大小符合上述统计规律，基体的几何模型如图5所示。划分网格时选用Solid70热单元。该单元为六面8节点结构。每个节点具有一个温度自由度，适用于瞬态分析，并且将TiC增强颗粒与Ti-6Al-4V基体材料结合面上网格绑定在一起，使之具有相同的温度。三维复合材料有限元仿真模型如图6所示。
步骤三：有限元仿真边界条件设定。
有限元仿真边界条件包括高速磨削过程中传入工件的热量比例、对流换热系数、热源分布模型的确定。使用4％-6％水基冷却液，对流换热系数取值82000W/(m2·℃)，设置工作环境的初始温度为20℃。在高速磨削时，由于磨削深度在微米级尺度，远小于砂轮直径和砂轮-工件接触弧长，因此仿真分析中使用平面移动三角热源模型。仿真边界条件如图7所示。
步骤四：三维温度场仿真分析与验证
对颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度场的三维复合材料有限元仿真结果进行试验验证，温度云图及验证结果如图8所示。
有益效果：
本发明一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，具有以下优点：
1.建立三维有限元复合材料模型，体现出材料的微观结构特征，突出了增强颗粒TiC形状、尺寸和随机性分布特征。
2.磨削温度预测结果准确、易于获得结果、有效减少试验量，可为实现钛基复材高效精密加工提供科学依据。
附图说明
图1是本发明颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法的工艺流程图；
图2是TiC颗粒等距当量椭圆求解；(a)PTMCs显微结构图(图中标尺是100微米)、(b)二值化图、(c)增强颗粒形心图、(d)等效椭球图；
图3是TiC颗粒形状的分布规律；其中(a)是等效椭球长轴的分布规律、(b)是等效椭球长短轴之比分布规律；
图4是颗粒增强钛基复合材料中TiC增强颗粒模型；
图5是颗粒增强钛基复合材料中基体模型；
图6是三维复合材料有限元仿真模型；
图7是磨削温度场仿真边界条件；
图8是温度场预测结果及其试验验证；
图9是三维均质材料温度场仿真预测结果及其试验验证；
图10是温度场仿真预测结果误差。
具体实施方式
下面将结合附图、本方案实施流程和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本申请所用的颗粒增强钛基复合材料以Ti-6Al-4V为基体材料、以TiC颗粒为增强相，通过原位生成法制成，增强相的体分比是10％。
根据图1所示工艺流程图，本发明增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，步骤如下：
步骤一：颗粒增强钛基复合材料中增强颗粒分布规律统计；
步骤二：三维复合材料有限元仿真建模；
步骤三：有限元仿真边界条件设定；
步骤四：三维温度场仿真分析与验证。
实施例1
本实施例中，具体步骤如下：
步骤一：钛基复合材料中TiC增强颗粒分布规律统计
通过专业图像处理软件ImageJ将扫描电镜拍摄到的PTMCs显微结构转化为二值化图，如图2(b)所示，其中白色表示Ti-6Al-4V基体材料，黑色表示TiC增强颗粒。然后提取二值化图中TiC颗粒的外轮廓曲线，并求解得到增强颗粒形心图，最后计算得到增强颗粒TiC的等矩当量椭圆，结果如图2(d)所示。其中计算方法如下：
将TiC颗粒的边界在直角坐标系xoy中表示为f(x,y)，则该不规则曲线的几何矩可表示为式(1)：
该不规则曲线所围成的面积可以表示为零阶矩：
该图形的形心坐标可以用下式计算得到：
对于等距当量椭圆的长轴a和短轴b与旋转的角度θ求解过程如下：假设存在这么一个新的坐标系x’oy’与原坐标系xoy的原点重合，新坐标系与原坐标系相差角度θ，且新的坐标系中x’和y’轴分别与椭球的长短轴重合，坐标原点与椭球形心重合，则需要求解的等距当量椭球可以表示为：
等矩当量椭球的长轴a和短轴b和坐标旋转的角度θ，可通过式(6)到式(8)联立求解得：
πab＝M'00 (7)
a3bπ/4＝M'20 (8)
式中，
对等距当量椭球进行统计分析时，本申请采用2个具有明确物理意义的参数来表征TiC增强颗粒的形状特征，分别是等矩当量椭圆的长轴a大小和椭圆的短长轴之比c＝b/a，这两个参数可以确定TiC颗粒的大小与扁平程度，统计结果如图3所示，其中(a)是等效椭球长轴的分布规律，(b)是等效椭球长短轴之比分布规律，可见TiC增强颗粒长轴集中分布在2～18μm，其扁平程度集中在0.1～0.9。
步骤二：三维复合材料有限元仿真建模
三维复合材料有限元仿真建模包括工件模型建立、单元类型选取和网格划分。在建模时，先建立球体TiC增强颗粒，其直径满足统计的长轴分布规律，再使用ANSYS压缩实体功能，将球体压缩为椭球且压缩比例满足椭球扁平度统计规律。则得到符合TiC增强颗粒形状分布规律的有限元仿真模型，如图4所示。使用ANSYS参数化语言进行建模，仿真模型的几何尺寸为：6mm长、1mm高、0.1mm宽，在此工件基体内部随机绘制TiC颗粒，定义每个增强颗粒的形心坐标为Oi(xi,yi zi)。为了更好地进行布尔运算，规定任意两个颗粒不相交。判断不重叠的方法是：除了第一颗椭球形增强颗粒外，以后每生成增强体都需要与前面所有的颗粒进行重叠的判断，若重叠则重新生成增强颗粒；若满足不重叠条件，则生成下一颗TiC颗粒，直到体积分数达到10％。建立的颗粒模型如图4所示。然后建立一个尺寸为6mm×1mm×0.1mm的立方体模型并使用ANSYS软件中的布尔运算，去除该立方体模型中与增强颗粒重叠的部分，在该矩形模型中形成与增强颗粒一一对应匹配的孔洞，则得到基体的几何模型如图5所示。
选用Solid70热单元。该单元为六面8节点结构。每个节点具有一个温度自由度，适用于瞬态分析。研究用的工件材料为原位合成法制成的钛基复合材料，具有增强相与基体材料结合良好等优点。在利用ANSYS进行网格划分时，将TiC增强颗粒与Ti-6Al-4V基体材料结合面上网格绑定在一起，使之具有相同的温度。在网格划分过程中，将Ti-6Al-4V的材料性质赋予基体材料，将TiC材料性质赋给增强颗粒，PTMCs中Ti-6Al-4V基体材料和TiC增强颗粒的室温物理力学性能参数见表1。使用ANSYS进行工件网格划分后的模型如图6所示。
表1Ti-6Al-4V基材和TiC增强颗粒的主要室温材料属性
步骤三：有限元仿真边界条件设定
有限元仿真边界条件包括高速磨削过程中传入工件的热量比例、流换热系数、热源分布模型的确定。高速磨削时传入工件热流密度值由式(9)确定：
kw、ρw、cw分别是钛基复合材料的热导率、密度和比热容；r0和kg是磨粒的半径和热导率；Tmp分别是工件材料的熔点温度；Ft是切向磨削力；vs是磨削速度；b是工件宽度；lg磨削接触弧长；ap是切深；ds是砂轮直径；Vw是进给速度。
在高速磨削时，由于磨削深度ap在微米级尺度，远小于砂轮直径和砂轮-工件接触弧长，因此仿真分析中使用平面移动三角热源模型，该热源在工件表面以工件进给速度反方向移动，使工件发生温升，可以表示为：
q(x)＝2qwx/lc (10)
在湿磨过程中，磨削液对磨削弧区外工件的冷却作用必须考虑，对流换热系数值查阅有关文献取值82000W/(m2·℃)，如图7所示。在有限元仿真模型中，设置工作环境温度为20℃。仿真边界条件示意图，如图7所示。
步骤四：三维温度场仿真分析与验证
仿真分析过程如下，在ANSYS中调用建立的工件模型，在工件上加载热流密度及对流换热边界。热流以工件进给速度在工件表面移动使工件发生温升，得到不同工艺参数的温度分布云图及对应试验验证结果，如图8所示：(a)仿真结果T＝346℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝20μm)；(b)试验结果T＝376℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝20μm)；(c)仿真结果T＝665℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝40μm)；(d)试验结果T＝630℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝40μm)；(e)仿真结果T＝882℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝80μm)；(f)试验结果T＝830℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝80μm)。其误差在8％以内，可以准确预测钛基复材磨削温度，为实现颗粒增强钛基复合材料高品质磨削提供理论指导。
实施例2验证试验
为了进一步验证三维复合材料有限元模型在预测磨削温度方面的优势，本发明采用颗粒增强钛基复合材料属性均质化后的仿真模型(三维均质材料仿真模型)对磨削温度场进行了仿真分析对比。建立6mm长、1mm高、0.1mm宽均质模型，并划分网格后将下面材料属性赋予工件模型，采用相同边界条件，计算得到的温度云图如图9所示，(a)仿真温度T＝456℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝20μm)；(b)仿真温度T＝730℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝40μm)；(c)仿真温度T＝981℃(vw＝6m/min、vs＝120m/s、ap＝80μm)。
表2增强颗粒的主要室温材料属性
图10为不同磨削深度下仿真磨削温度与试验磨削温度的对比分析结果。在ap＝40μm、vw＝6m/min、vs＝120m/s工艺条件下，仿真获得的磨削温度为730℃，而试验测得的磨削表面温度为630℃。磨削温度的试验值与仿真值相差100℃，误差高达16％。从图10中可以看出，在不同磨削深度下，采用普通均质模型仿真获得的磨削温度与试验值之间的误差都在15％以上，而三维混合材料有限元仿真磨削误差在8％左右。这进一步说明了，针对颗粒增强钛基复合材料，普通均质材料模型难以准确预测磨削温度，而本发明建立的三维复合材料有限元模型能够更加精确地预测颗粒增强钛基复合材料的磨削温度。
Claims (6)
1.一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：颗粒增强钛基复合材料中增强颗粒分布规律统计
首先，通过专业图像处理软件ImageJ将扫描电镜获取的钛基复合材料微观结构图转化为二值化图；
然后，用等距当量椭球对增强颗粒进行简化，得到等矩当量椭圆的长轴a数值和椭圆的短长轴之比c＝b/a，确定增强颗粒的大小与扁平程度，分析得到复合材料中增强相分布规律；
步骤二：三维复合材料有限元仿真建模
三维复合材料有限元仿真建模包括工件模型建立、单元类型选取和网格划分；
建立的三维复合材料有限元仿真模型中增强颗粒的形状和大小符合步骤一所述的统计规律，并且为了计算方便规定任意两个颗粒不重叠；
网格单元类型选用Solid70热单元，该单元为六面8节点结构，每个节点具有一个温度自由度，适用于瞬态分析；
在利用ANSYS进行网格划分时，将增强颗粒与基体材料结合面上网格绑定在一起，使之具有相同的温度；
步骤三：有限元仿真边界条件设定
有限元仿真边界条件包括高速磨削过程中传入工件的热量比例、对流换热系数、移动热源分布模型、工作环境初始温度的确定；
步骤四：三维温度场仿真分析与验证
对颗粒增强钛基复材高速磨削温度场的三维复合材料有限元仿真结果进行验证。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，其特征在于步骤一所述用等距当量椭球对增强颗粒进行简化，其中等距表示简化前后对形心的中心距不变，当量的意思是简化前后体积保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，其特征在于步骤一，所述通过专业图像处理软件ImageJ将扫描电镜获取的钛基复合材料微观结构图转化为二值化图的计算方法如下：
将增强颗粒的边界在直角坐标系xoy中表示为f(x,y)，则该不规则曲线的几何矩可表示为式(1)：
该不规则曲线所围成的面积可以表示为零阶矩：
该图形的形心坐标可以用下式计算得到：
对于等距当量椭圆的长轴a和短轴b与旋转的角度θ求解过程如下：
假设存在一个新的坐标系x’oy’与原坐标系xoy的原点重合，新坐标系与原坐标系相差角度θ，且新的坐标系中x’和y’轴分别与椭球的长短轴重合，坐标原点与椭球形心重合，则需要求解的等距当量椭球可以表示为：
等矩当量椭球的长轴a和短轴b和坐标旋转的角度θ，可通过式(6)到式(8)联立求解得：
πab＝M'00 (7)
a3bπ/4＝M′20 (8)
式中，
4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，其特征在于，步骤二：三维复合材料有限元仿真建模的过程是：先用MATLAB随机函数生成钛基复合材料中增强颗粒形心坐标，然后删除重叠颗粒，再使用ANSYS建模软件读取形心坐标根据统计的增强颗粒形状分布规律，建立增强颗粒仿真模型；
建立复合材料的基体仿真模型的方法是：先建立长宽高为a×b×c的立方体，然后与增强颗粒进行布尔运算，去除该立方体中与增强颗粒重叠的部分，在该立方体中形成与增强颗粒一一对应匹配的孔洞，即可得到基体模型。
5.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，其特征在于步骤三中，高速磨削时传入工件热流密度值由式(9)确定：
kw、ρw、cw分别是钛基复合材料的热导率，密度和比热容；r0和kg是磨粒的半径和热导率；Tmp分别是工件材料的熔点温度；Ft是切向磨削力；vs是磨削速度；b是工件宽度；lg磨削接触弧长；ap是切深；ds是砂轮直径；Vw是进给速度；
在高速磨削时，由于磨削深度ap在微米级尺度，远小于砂轮直径和砂轮-工件接触弧长，因此仿真分析中使用平面移动三角热源模型。该热源在工件表面以工件进给速度反方向移动，使工件发生温升，该热源模型可以表示为：
q(x)＝2qwx/lc (10)
对流换热系数取值82000W/(m2·℃)，设置工作环境的初始温度为20℃。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒增强钛基复合材料高速磨削温度预测方法，其特征在于所述的颗粒增强钛基复合材料是以Ti-6Al-4V为基体材料、以TiC颗粒为增强相通过原位生成法制成的，增强相的体分比是10％。
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| CN113255120A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-13 | 上海市高级技工学校 | 一种断续磨削工件边缘的温度场模型的建立方法 |
| CN113591351A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-02 | 盐城工学院 | 一种基于abaqus的颗粒增强钛基复合材料车削过程仿真方法 |
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