CN102354161A

CN102354161A - 数控加工零件变形有限元补偿方法

Info

Publication number: CN102354161A
Application number: CN2011101691516A
Authority: CN
Inventors: 刘镝时
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明涉及一种数控加工零件变形有限元补偿方法，使用建模软件，将零件保存为数字模型；将数字模型转换到有限元分析软件，建立有限元模型，定义单元、截面和材料，完成单元网格划分，根据工况添加载荷以及约束，对零件受夹紧力而引起的变形量进行计算。输出需要加工的面或线上各节点的变形量，根据变形量，使用建模软件，绘制出受夹紧力后的零件形状。依据受夹紧力后的零件形状，进行数控编程。加工完成后，松开夹紧，零件弹性恢复到正常。本发明使用计算机有限元分析软件和CAD/CAM软件，不需要设计制造专用夹具或专用设备，节省加工成本，提高生产效率，保证加工质量。

Description

数控加工零件变形有限元补偿方法

技术领域

本发明涉及机械制造数控加工领域，具体属于一种数控加工零件变形有限元补偿方法。

背景技术

现有技术在加工易变形工件时，由于机床夹紧力使零件变形，零件弹性恢复后，尺寸和形状就会改变，如果采用减小夹紧力的方法，只能减少切削用量，而且不能完全消除变形。也有采用设计制造专用的夹具，以分散夹紧力或改变夹紧力方向，使零件因夹紧力而产生的变形减小或消除，如中国专利（专利号201020557343.5）公开了一种“易变形环状工件数控加工夹具装置”，它使用环装夹具对易变形工件进行装夹，用来减小因变形带来的加工误差。还有方法是采用焊接工艺搭子，依靠夹紧工艺搭子来减小夹紧力对零件变形的影响。但是，这些方法都不能完全解决薄壁易变形零件因夹紧力而引起的变形导致加工误差的问题。

因此，现有技术的不足是：由于夹紧力使零件变形，加工时零件尺寸形状符合要求，但加工完成松开夹紧后，零件就产生弹性恢复，导致尺寸和形状不符合要求。如果采用设计和制造专用夹具，费时又费力，而且对于某些零件难以设计制作出符合要求的夹具。采用焊接工艺搭子技术，不仅受零件尺寸及形状限制，还受到零件材料焊接性能等诸多因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种数控加工零件变形有限元补偿方法，能够简化薄壁易变形零件加工时夹具的设计和制造，通过采用补偿夹紧力引起的零件变形来提高薄壁易变形零件加工效率和加工质量。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种数控加工零件变形有限元补偿方法，步骤如下：

第一步、使用建模软件，将零件保存为数字模型；

第二步、将所述数字模型转换到有限元分析软件，建立有限元模型；

第三步、定义模型单元、截面和材料，完成单元网格划分；

第四步、根据工况添加载荷以及约束，对零件受夹紧力而引起的变形量进行计算；

第五步、输出需要加工的面或线上各节点的变形量；

第六步、根据变形量，使用建模软件，绘制出受夹紧力后的零件形状；

第七步、依据受夹紧力后的零件形状，进行数控编程；

第八步、加工零件。

所述第一步中建模软件使用UG软件，所述第二步中有限元分析软件使用ANSYS软件。

本发明数控加工零件变形有限元补偿方法的积极效果是：

克服现有技术加工薄壁零件易受夹紧力引起变形，加工后零件精度差、误差大等不足，本发明利用计算机辅助设计（CAD）软件计算出零件受力后的变形量数据，根据变形量数据，使用CAD软件绘制出变形后的零件，再利用计算机辅助制造（CAM）软件编出数控机床的数控加工程序，完成零件的加工后，释放夹紧力后零件弹性变形恢复，使零件符合图纸要求。

附图说明

附图1是本发明实施例中薄壁零件示意图；

附图2是附图1中薄壁零件A-A剖视图；

附图3是附图2中零件剖视图的局部放大图；

附图4是零件模型有限元分析后的处理云图；

附图5是本发明数控加工零件变形有限元补偿方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明数控加工零件变形有限元补偿方法的具体实施方式作详细说明。

参见附图5，一种数控加工零件变形有限元补偿方法，步骤如下：（1）使用建模软件，将零件保存为数字模型；（2）将数字模型转换到有限元分析软件，建立有限元模型；（3）定义单元、截面和材料，完成单元网格划分；（4）根据工况添加载荷以及约束，对零件受夹紧力而引起的变形量进行计算；（5）输出需要加工的面或线上各节点的变形量；（6）根据变形量，使用建模软件绘制出受夹紧力后的零件形状；（7）依据受夹紧力后的零件形状进行数控编程；（8）加工零件完成后松开夹紧，零件弹性恢复到正常。

参见附图1、附图2、附图3，图示工件的材料为45调质钢，在机床上加工时装夹极易变形，一般机加工时难以保证其外形尺寸，需较复杂的夹具防止变形。现在利用有限元分析技术，计算出工件装夹时的变形量，通过数控程序对变形量进行补偿，达到提高工件加工质量的目的，极大简化夹具工装，缩短加工周期，提高产品质量。加工尺寸为400×200mm的椭圆工件时，水平方向的夹紧力使工件在水平方向产生较大变形，加工时如果按设计尺寸编程加工的话，工件未松开时是加工的是椭圆，一旦卸下工件，形状就会改变，装夹时变形越大，加工完成后的误差就越大。如果让工件被夹紧时，数控机床不按原来的椭圆轨迹进行加工，而是按椭圆变形后的轨迹进行加工，只要夹紧力未超过材料的弹性极限，那么工装松开时工件应恢复到椭圆。利用有限元分析技术，计算出工件在夹紧力下的位移变形，再根据此变形轨迹数控编程进行加工，以此就能保证椭圆尺寸。

UG是一个完全集成的计算机辅助设计/制造/分析（CAD/CAM/CAE）软件集，具有强大的计算机辅助设计、制造和分析功能，可以通过UG的CAD/CAM/CAE来完成建模、有限元分析及数控编程。首先，在UG的CAD模块建模，完成建模后进入UG的结构分析模块创建新分析方案；选择解算器，这里用ANSYS软件设置材料、划分网格、施加载荷和边界条件，进行求解后处理云图（参见附图4）。将变形后的点输入UG的CAD模块，经CAM处理输出加工中心的数控程序，加工后工件完全符合图纸要求。

在有限元分析施加载荷和边界条件时，添加的力和约束与实际工件的夹紧力、支撑点应相等，以模拟工件实际受力情况。工件夹紧螺栓的夹紧力可用力矩扳手控制，根据公式：

式中：T为力矩；

F为夹紧力；

λ为螺旋角；

v为当量摩擦角；

d2为夹紧螺栓的螺纹中径。

实际加工中可以通过测量工件夹紧后的变形量来控制夹紧力。本实施例在有限元分析时添加的力为500N，分析显示椭圆200mm尺寸变形量为0.516mm。加工时此工件被夹紧后，实际测量椭圆200mm尺寸变形量达到0.516mm时停止夹紧，这时有限元分析时添加的力与实际工件夹紧力应基本相等。后处理只依据云图是不够的，必需要精确到每一点的变形量，经过后处理输出的Excel文件详细地记录了各坐标点上的变形量。利用Excel软件的计算功能，将原始点和变形量进行比较，得到变形后的坐标点。将这些坐标点输入UG软件，绘制出变形后的图形，由UG软件的CAM输出数控机床操作代码。数控机床加工完成后，达到设计时的参数要求。

本实施例的EXCEL表如下：

本实施例的UGCAM输出的部分数控代码如下：

%

(PART--G:\POINT.PRT)

(DATE--SATAUG2610:29:102010)

(OPERATION--PLANAR_MILL)

G40G17G90G54

(PATH--PLANAR_MILL)

(TOOL--D25)

(TOOL--DIAMETER--25.00)

G00X176.792Y-14.043S600M03

Z20.

Z3.

Z-18.

G01Z-21.F200.

N0010G41X196.012Y-8.513D02

G03X199.935Y-2.407I-3.074J6.289

G01X200.Y.092

……

X193.842Y24.143

X187.263Y34.820

X179.071Y44.333

X169.725Y52.726

X159.563Y60.115

X148.819Y66.632

……。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种数控加工零件变形有限元补偿方法，其特征在于：其步骤如下：

第一步、使用建模软件，将零件保存为数字模型；

第三步、定义模型单元、截面和材料，完成单元网格划分；

第五步、输出需要加工的面或线上各节点的变形量；

第七步、依据受夹紧力后的零件形状，进行数控编程；

第八步、加工零件。

2.根据权利要求1所述的数控加工零件变形有限元补偿方法，其特征在于：所述第一步中的建模软件使用UG软件，所述第二步中的有限元分析软件使用ANSYS软件。