CN104765937B - 一种基于机床动力学特性的切削模拟方法 - Google Patents

一种基于机床动力学特性的切削模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，本发明涉及基于机床动力学特性的切削模拟方法。本发明是要解决现有的切削仿真模型，无法考虑机床的动态性能，不能进行表面波纹度仿真的问题，而提出的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。该方法是通过步骤一：得到机床的主导模态参数；步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性杆单元模型；步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元与刀具模型进行耦合，建立仿真模型；步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性的切削结果等步骤实现的。本发明应用于切削模拟领域。

Description

一种基于机床动力学特性的切削模拟方法
技术领域
本发明涉及切削模拟方法，特别涉及一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
背景技术
随着科学技术的发展对于精密光学零件不仅仅要求具有良好的面型精度和表面粗糙度，同时对表面波纹度也提出了苛刻的要求。由于表面波纹度主要受机床动态性能的影响，以往的切削仿真模型仅考虑了刀具与工件间的相互作用，无法考虑机床的动态性能，因此无法实现对表面波纹度的仿真即波纹度是介于面型误差和粗糙度之间的中频误差，主要由加工过程中机床-工件-刀具系统的振动引起，是超精密加工中普遍存在的现象。但是现有的仿真模型中只考虑了刀具与材料间的切削去除作用，而没有考虑机床的动态特性，因此无法实现对表面波纹度的仿真。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的切削仿真模型，无法考虑机床的动态性能，不能进行表面波纹度仿真的问题，而提出的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态参数；其中，主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k；
步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性杆单元模型；
步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合，建立仿真模型；
步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性的切削结果；即完成了一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
发明效果
本发明解决了现有的切削仿真方法无法考虑机床系统的动态特性的问题。首先对机床的动态特性(主导模态)等效成一个悬臂梁，然后将刀具模型与悬臂梁进行耦合，实现考虑机床动态特性的切削仿真。
本发明基于机械动力学、切削原理及有限元方法实现的；这种方法不仅可以更加精确的仿真刀具的磨损，工件的表面粗糙度，而且可以实现工件波纹度的模拟，该建模方法效率高、操作简单、结果可靠，对表面波纹度的仿真预测具有重要意义。如图1～3所示，在abaqus中所建立的能够反映机床动态特性的切削仿真模型：所获得的切削仿真结果，实现了由于机床系统动态性能所引起的表面波纹的仿真：
附图说明
图1为实施例提出的机床主导模态等效过程示意图；其中，a)为机床的有限元模型，b)为机床的动态响应曲线，c)为机床系统等效模型，d)机床系统等效模型的动态响应曲线；
图2为实施例提出的考虑机床动态特性的切削仿真模型示意图；
图3为实施例提出的切削仿真结果示意图；
图4为具体实施方式一提出的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，具体是按照以下步骤制备的：
步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态参数如图1所示；其中，主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k；
步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性(主导模态)的线性杆单元模型；
步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合即将线性杆杆单元与刀具模型结合面上节点的自由度耦合在一起，使二者具有相同的位移(因为现行杆单元和刀具模型都是采用的有限单元法对它们进行的网格划分，耦合就是指它们结合面处的自由度(位移)相同)，建立仿真模型；
步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性的切削结果如图3；即完成了一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
本实施方式效果：
本实施方式解决了现有的切削仿真方法无法考虑机床系统的动态特性的问题。首先对机床的动态特性(主导模态)等效成一个悬臂梁，然后将刀具模型与悬臂梁进行耦合，实现考虑机床动态特性的切削仿真。
本实施方式基于机械动力学、切削原理及有限元方法实现的；这种方法不仅可以更加精确的仿真刀具的磨损，工件的表面粗糙度，而且可以实现工件波纹度的模拟，该建模方法效率高、操作简单、结果可靠，对表面波纹度的仿真预测具有重要意义。如图1～3所示，在abaqus中所建立的能够反映机床动态特性的切削仿真模型：所获得的切削仿真结果，实现了由于机床系统动态性能所引起的表面波纹的仿真：
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中固有频率ωn为100～300Hz；等效刚度k为50N/微米～1000N/微米。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性(主导模态)的线性杆单元模型具体过程为：
根据机床的主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k，线性杆单元模型能够反映机床主导模态参数，建立的等效方法如下：
线性杆单元的等效刚度为：
其固有频率为：
其中，L表示线性杆单元的长度，A表示线性杆单元的截面积，E表示线性杆单元的弹性模量；m表示线性杆单元的质量。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中采用步骤三所建立的仿真模型，进行仿真切削的具体过程为：
将线性杆单元模型和刀具模型通过节点耦合耦合在一起，因此刀具与线性杆单元具有相同的位移；
在切削仿真软件Abaqus中对工件切削过程进行仿真分析可得到考虑机床动态特性的切削结果(加工中工件表面的波纹度)，仿真过程如图2所示；
(1)在切削仿真软件Abaqus中将等效杆单元顶端在X、Y和Z轴方向位移进行全约束；使得等效杆单元位移为0；
(2)工件以速度v沿切削方向进给如图2所示，由于仿真过程中的切削力对线性杆单元进行动态激励，会使线性杆单元产生动态响应，进而线性杆单元带动刀具根据切削力产生动态位移；
(3)根据(2)产生动态位移使得刀具在工件的表面产生动态位移的波动，造成加工中工件表面的波纹度。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：工件速度v为0.1m/s～50m/s。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，具体是按照以下步骤制备的：
步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态参数如图1所示；其中，主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k；
步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性(主导模态)的线性杆单元模型具体过程为：
根据机床的主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k，从图1b)中可知分别为250Hz和500N/微米；线性杆单元模型能够反映机床主导模态参数，建立的等效方法如下：
线性杆单元的等效刚度为：
其固有频率为：
其中，L表示线性杆单元的长度，A表示线性杆单元的截面积，E表示线性杆单元的弹性模量；m表示线性杆单元的质量；
根据刚度和固有频率确定出线性杆单元的弹性模量(E)、结构尺寸(A和L)和质量(m)；选取线性杆的直径为0.05mm，长度L为0.08mm，根据(1)得到线性杆单元的等效弹性模量E为2e13Pa，根据公式(2)其线性杆单元的质量为795Kg，通过创建质量点来实现，等效后线性杆单元的形状如图1c)所示，其动力学性能如图1d)所示。；
步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合即将线性杆杆单元与刀具模型结合面上节点的自由度耦合在一起，使二者具有相同的位移(因为现行杆单元和刀具模型都是采用的有限单元法对它们进行的网格划分，耦合就是指它们结合面处的自由度(位移)相同)，建立仿真模型；
步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性的切削结果如图3；将线性杆单元模型和刀具模型通过节点耦合耦合在一起，因此刀具与线性杆单元具有相同的位移。
在切削仿真软件Abaqus中对工件切削过程进行仿真分析可得到考虑机床动态特性的切削结果(加工中工件表面的波纹度)，仿真过程如图2所示；
(1)在切削仿真软件Abaqus中将等效杆单元顶端在X、Y和Z轴方向位移进行全约束；使得等效杆单元位移为0；
(2)工件以10m/s速度v沿切削方向进给如图2所示，由于仿真过程中的切削力对线性杆单元进行动态激励，会使线性杆单元产生动态响应，进而线性杆单元带动刀具根据切削力产生动态位移；
(3)根据(2)产生动态位移使得刀具在工件的表面产生动态位移的波动，造成加工中工件表面的波纹度。建立立式飞切加工机床的有限元模型，开展动力学分析获取其主导模态参数(线性杆单元的弹性模量(E)、结构尺寸(A和L)和质量(m))，根据上述参数将机床结构等效为一个悬臂梁，该悬臂梁的固有频率、等效刚度、等效质量与机床的相同。如图1～3所示，在abaqus中所建立的能够反映机床动态特性的切削仿真模型：所获得的切削仿真结果，实现了由于机床系统动态性能所引起的表面波纹的仿真：
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，具体是按以下步骤进行的：
步骤一：通过对机床进行动力学仿真分析或开展模态实验，得到机床的主导模态参数；其中，主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k；
步骤二：根据机床的主导模态参数将机床等效成与机床具有相同动态特性的线性杆单元模型，具体过程为：
根据机床的主导模态参数包括固有频率ωn和等效刚度k，建立的等效方法如下：
线性杆单元的等效刚度为：
其固有频率为：
其中，L表示线性杆单元的长度，A表示线性杆单元的截面积，E表示线性杆单元的弹性模量；m表示线性杆单元的质量；
步骤三：将步骤二得到的等效的线性杆单元模型与刀具模型进行耦合，建立仿真模型；
步骤四：采用步骤三所建立的仿真模型，进行切削仿真；即可得到考虑机床动态特性的切削结果；即完成了一种基于机床动力学特性的切削模拟方法。
2.根据权利要求1所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：步骤一中固有频率ωn为100～300Hz；等效刚度k为50N/微米～1000N/微米。
3.根据权利要求1所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：步骤四中采用步骤三所建立的仿真模型，进行仿真切削的具体过程为：
(1)在切削仿真软件Abaqus中将等效杆单元顶端在X、Y和Z轴方向位移进行全约束；使得等效杆单元位移为0；
(2)工件以速度v沿切削方向进给，线性杆单元带动刀具根据切削力产生动态位移；
(3)根据(2)产生动态位移使得刀具在工件的表面产生动态位移的波动，造成加工中工件表面的波纹度。
4.根据权利要求3所述一种基于机床动力学特性的切削模拟方法，其特征在于：工件速度v为0.1m/s～50m/s。
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