CN105069249A - 一种隔框类整体结构件优化切削路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔框类整体结构件优化切削路径的方法，属于现代结构设计和制造技术领域,解决了对隔框类整体结构件的加工过程中的切削路径进行优化的问题。该方法包括以下步骤:(1)对隔框类整体结构件单个隔框建立有限元模型,加载初始内应力；(2)对单个隔框进行动态切削仿真，得到优化的切削路径；(3)对隔框类整体结构件建立有限元模型，并加载初始内应力；(4)对整个隔框进行动态切削仿真，得到优化的切削路径；此方法采用动态切削仿真的切削路径优化的方法，能够在实际加工零件之前进行提前分析预测，优化切削路径，从而调整相应的加工策略，有效控制加工变形，缩短零件的生产周期，降低生产成本。

Description

一种隔框类整体结构件优化切削路径的方法

技术领域

本发明属于现代结构设计和制造技术领域,涉及使用动态切削仿真技术对隔框类整体结构件的加工过程中的切削路径进行仿真优化的方法。

背景技术

在现代结构设计和制造领域，为了降低结构件重量，又要提高结构强度，广泛采用隔框类整体结构件。隔框类整体结构件在实际加工中超过95％的坯料都被铣削加工以切屑的形式去除，在加工过程中，毛坯初始残余应力释放及机加工应力共同作用，将导致薄壁结构件发生整体弯曲、扭曲或弯扭组合变形。隔框类整体结构件加工变形十分复杂且难以控制。又由于隔框类整体结构件结构复杂，壁薄，加工精度要求高等特点，采用传统的加工工艺往往造成较大的加工变形问题，难以保证结构件的加工质量。

通过对弱刚性隔框类结构件开展数控加工的切削路径仿真及优化研究，寻求和探索其加工变形的机理和规律，并提出相应的解决方案，形成复杂弱刚性隔框类结构件加工变形的控制技术，不但能够满足现场加工的需求，为现场加工制定优化的加工工艺提供理论指导，还能够为这类结构件的加工变形控制提供理论依据和可借鉴的方法，以有效地控制加工变形。然而，当前对刀具切削路径的优化的研究集中于算法和轨迹仿真方面，对毛坯到零件整个过程中不同切削路径所造成的累积加工变形问题研究较少。现需要一种方法能够反映毛坯到零件整个过程中不同切削路径所造成的累积加工变形。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种隔框类整体结构件优化切削路径的方法，该方法是基于动态切削仿真的优化切削路径的方法,优化加工隔框类结构件的刀具切削路径,以有效减小弱刚性隔框类结构件加工变形,提高加工质量。

本发明有通过以下技术方案实现：一种隔框类整体结构件优化切削路径的方法，该方法包括以下内容：

1)根据该零件的结构特点，将零件的隔框进行划分成为单个隔框；确定动态切削仿真方法：首先确定工件材料被去除的区域作为将要切除的单元，并将这部分单元设为一个“集合”，设定的集合按照指定顺序一步一步依次去除；

2)单个隔框的刀具路径优化方法，包括以下步骤：

2.1制定的不同切削路径；每一次选择一种切削路径；

2.2对单个隔框的毛坯建立有限元模型，赋予材料属性并加载初始残余应力，加载初始残余应力的步骤包括：测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力；

毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量；

毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算；得到的应力值满足下述两个应力公式：

$\underset{-h/2}{\overset{h/2}{\∫}}{\mathrm{\σdx}}^{\′}=0,\underset{-h/2}{\overset{h/2}{\∫}}{\mathrm{\σx}}^{\′}{\mathrm{dx}}^{\′}=0,$

其中，x′为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，σ为厚度为x′时的应力值，h为毛坯总厚度；

毛坯整体残余内应力沿厚度方向均匀分布,在有限元建模时,根据工件的实际尺寸,将有限元网格沿厚度方向划分为若干层,再逐层添加残余应力；

2.3使用所述的动态切削仿真方法，按照制定的不同切削路径中的一种切削路径切除材料，直至加工出单个隔框，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下单个隔框的变形量；

2.4对于隔框的每一种切削路径，重复实施步骤2.3；

比较不同的切削路径的加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量，选出变形量最小的一种切削路径，即为最优切削路径。

3)整个隔框类结构件刀具优化路径方法，包括以下步骤：

3.1制定不同的隔框加工顺序；每一次选择一种隔框加工顺序；

3.2对整个隔框类结构件的毛坯建立有限元模型，赋予材料属性并加载初始残余应力：加载初始残余应力的步骤包括：测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力，每个步骤的方法与步骤2.2实现方法一致；

3.3用所述的动态切削仿真方法，在步骤2.4单个隔框的刀具路径优化的基础上，按照单个隔框的刀具路径优化路径加工单个隔框，按照制定的不同的隔框加工顺序作为动态切削仿真方法的指定顺序切除材料，加工出整个隔框类结构件，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量；

3.4对于每一种隔框加工顺序，重复实施步骤3.3；

比较不同的切削路径的加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量，选出变形量最小的一种切削路径，即为最优切削路径。

本发明的技术效果是：

能够反映毛坯到零件整个过程中不同切削路径所造成的累积加工变形,优化加工隔框类结构件的刀具切削路径,以有效减小弱刚性隔框类结构件加工变形,提高加工质量。此方法采用动态切削仿真的切削路径优化的方法，能够在实际加工零件之前进行提前分析预测，优化切削路径，从而调整相应的加工策略，有效控制加工变形，缩短零件的生产周期，降低生产成本。

附图说明

图1a为实例所需加工零件图的主视图；

图1b为实例所需加工零件图的左视图；

图2a为单面槽腔零件的主视图；

图2b为单面槽腔零件的左视图；

图3为残余应力分布图；

图4a为腹板加工内环走刀方式示意图；

图4b为腹板加工外环走刀方式示意图；

图4c为腹板加工之字走刀方式示意图；

图4d为腹板加工并进走刀方式示意图；

图5为对称铣削示意图；

图6为环形铣削示意图图；

图7为顺序铣削示意图；

图8为基于动态切削仿真的隔框类结构件的优化切削路径流程图。

具体实施方式

下面对基于动态切削仿真的优化切削路径方法做详细说明。

(1)动态切削仿真方法

在有限元仿真分析过程中，为了能够实时地动态模拟出材料的切削过程以及零件的局部刚度的变化，需要用到“单元生死技术”。“单元生死”即为在工件材料即将被去除的区域，将这块区域的划分网格并将网格单元在特定的时间(某个分析步)内删除，“死”单元对计算模型不提供任何刚度，这样就可以按照切削的路径，一步一步将所要切除的单元按照指定顺序依次去除。在模拟工件材料切除的过程中不仅要将所要切除的材料以单元生死的形式去除，同时也要对已去除材料的表面施加相应的切削力以模拟真实的切削加工过程。因此“单元生死技术”完全可以应用于待加工零件,单元的切除与否可用单元的“生”与“死”来模拟。

零件切削过程中的“单元生死”过程大致如下：首先选取将要切除的那部分单元，并将这部分单元设为一个“集合”，之后设定该集合可以按照切削的路径，一步一步将所要切除的单元按照指定顺序依次去除。

由于切削过程中大量的材料被切除，为了模拟这一过程必须在切削仿真过程中依次去除这些单元，由于单元需要被依次去除，因此也须设定大量的“生死单元”，并对去除材料后的已加工表面施加与之相对应的载荷。其操作过程很繁琐，且工作量极大。针对这一问题，通过对仿真软件的二次开发，利用CAM软件生成的刀具轨迹和仿真软件提供的接口编写脚本或子程序。在仿真过程中通过运行脚本或子程序，实现所有单元生死和加载力的循环操作，以提高效率、减轻工作量。

(2)单个隔框的刀具路径优化

2.1制定的不同切削路径,如内环走刀、外环走刀、之字走刀和并进走刀。

2.2对单个隔框的毛坯建立有限元模型，赋予材料属性并加载初始残余应力。

加载初始残余应力的步骤包括：测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力；毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔

法测量，毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算，应力值满足公式

$\underset{-h/2}{\overset{h/2}{\∫}}{\mathrm{\σdx}}^{\′}=0,\underset{-h/2}{\overset{h/2}{\∫}}{\mathrm{\σx}}^{\′}{\mathrm{dx}}^{\′}=0,$

其中，x′为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，σ为厚度为x′时的应力值，h为毛坯总厚度；

毛坯整体残余内应力根据“力平衡、力矩平衡”的原则进行加载，即毛坯整体残余内应力沿厚度方向均匀分布,在有限元建模时,根据工件的实际尺寸,将有限元网格沿厚度方向划分为若干层,再逐层添加残余应力。

2.3使用动态切削仿真方法，按照制定的不同切削路径中的一种切削路径切除材料(指定顺序依次去除即为按照制定的不同切削路径中的一种切削路径)，直至加工出单个隔框，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下单个隔框的变形量。优选出变形量最小的一种切削路径。

(3)整个隔框类结构件刀具轨迹优化

隔框类结构件由多个隔框组成,根据弹塑性理论以及刀具走刀路径对加工变形影响的研究结果表明,零件的加工变形是与其加工过程有关的,因此可以确定隔框加工顺序的先后对零件加工变形也是有影响的。但是,在实际加工中,隔框加工顺序一般仅凭经验确定,很少考虑因此而引起的加工变形,并且到目前为止有关加工顺序影响加工变形的机理还未见报导。为此,需要研究不同隔框加工顺序对零件加工变形的影响,从而确定加工变形最小的隔框加工顺序。

3.1制定不同的隔框加工顺序,如对称铣削,环形铣削,顺序铣削。

3.2对整个隔框类结构件的毛坯建立有限元模型，赋予材料属性并加载初始残余应力；加载初始残余应力的步骤包括：测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力，每个步骤与步骤2.2实现方法一致；

3.3使用动态切削仿真方法，在单个隔框的刀具路径优化的基础上，按照制定的不同切削路径(作为指定顺序一步一步依次去除)切除材料，直至加工出整个隔框类结构件，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量。优选出变形量最小的一种切削路径。

下面结合附图和实例进行说明。

1)对隔框类整体结构件单个隔框建立有限元模型,加载初始内应力；

附图1a、1b为实例所需加工的零件，根据该零件的结构特点，提取出典型的局部结构，为典型的单面槽腔类零件如图2a、2b，几何特征：槽腔尺寸100mm*200mm，侧壁厚2mm，壁高20mm，毛坯尺寸204mm*104mm*22mm，对毛坯加载初始残余应力，其分布满足图3。

2)对单个隔框进行动态切削仿真，得到优化的切削路径；

对于薄壁结构的腹板的加工，关键问题就是要解决由于轴向切削力引起的加工变形。目前主要有四种常规的走刀方式，即：内环走刀、外环走刀、之字走刀和并进走刀，如图4a、4b、4c、4d所示。

使用动态切削仿真方法，按照制定的不同切削路径切除材料，直至加工出单个隔框，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下单个隔框的变形量。优选出变形量最小的一种切削路径。

3)对隔框类整体结构件建立有限元模型，并加载初始内应力；

整个隔框类结构件毛坯尺寸为长1219mm，宽583mm，厚22mm,,对其加载初始残余应力，其分布满足图3。

4)对整个隔框进行动态切削仿真，得到优化的切削路径；；

仿真分析时，先对整体结构件的各个隔框进行离散化编号，方便直观的安排加工顺序；其次，安排多种不同的隔框加工顺序，使用动态切削仿真方法，按照制定的不同切削路径切除材料，直至加工出整个隔框类结构件，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量。图5、图6、图7为几种常见的加工顺序。优选出变形量最小的一种切削路径。

在具体加工每一个隔框时，使用单个隔框的刀具路径优化后的走刀路径。

Claims (1)

1.一种隔框类整体结构件优化切削路径的方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

1)根据该零件的结构特点，将零件的隔框进行划分成为单个隔框；

确定动态切削仿真方法：首先确定工件材料被去除的区域作为将要切除的单元，并将这部分单元设为一个“集合”，设定的集合按照指定顺序一步一步依次去除；

2)单个隔框的刀具路径优化方法，包括以下步骤：

2.1制定的不同切削路径；每一次选择一种切削路径；

2.2对单个隔框的毛坯建立有限元模型，赋予材料属性并加载初始残余应力，加载初始残余应力的步骤包括：测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力；

毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量；

毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算；得到的应力值满足下述两个应力公式：

$\underset{-h/2}{\overset{h/2}{\∫}}{\mathrm{\σdx}}^{\′}=0,\underset{-h/2}{\overset{h/2}{\∫}}{\mathrm{\σx}}^{\′}{\mathrm{dx}}^{\′}=0,$

其中，x′为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，σ为厚度为x′时的应力值，h为毛坯总厚度；

毛坯整体残余内应力沿厚度方向均匀分布,在有限元建模时,根据工件的实际尺寸,将有限元网格沿厚度方向划分为若干层,再逐层添加残余应力；

2.3使用所述的动态切削仿真方法，按照制定的不同切削路径中的一种切削路径切除材料，直至加工出单个隔框，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下单个隔框的变形量；

2.4对于隔框的每一种切削路径，重复实施步骤2.3；

比较不同的切削路径的加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量，选出变形量最小的一种切削路径，即为最优切削路径；

3)整个隔框类结构件刀具优化路径方法，包括以下步骤：

3.1制定不同的隔框加工顺序；每一次选择一种隔框加工顺序；

3.2对整个隔框类结构件的毛坯建立有限元模型，赋予材料属性并加载初始残余应力：加载初始残余应力的步骤包括：测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力，每个步骤的方法与步骤2.2实现方法一致；

3.3用所述的动态切削仿真方法，在步骤2.4单个隔框的刀具路径优化的基础上，按照单个隔框的刀具路径优化路径加工单个隔框，按照制定的不同的隔框加工顺序作为动态切削仿真方法的指定顺序切除材料，加工出整个隔框类结构件，得到加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量；

3.4对于每一种隔框加工顺序，重复实施步骤3.3；

比较不同的切削路径的加工过程中残余应力释放和加工应力共同作用下零件的变形量，选出变形量最小的一种切削路径，即为最优切削路径。