CN105550485B - 一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法 - Google Patents

一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其包括如下步骤，步骤1，利用高速摄像机经光学系统连续拍摄得到高速铣削过程中的应力波传播轨迹；步骤2，对步骤1中的高速铣削过程进行仿真，得到切削材料在整个高速铣削过程中的应力分布结果；步骤3，根据平面应力状态下应力波波速的理论计算公式，得到应力波纵波与横波在切削材料中的传播速度，并结合应力波传播轨迹，得到高速铣削过程中应力波纵波与横波的波阵面位置信息及在切削材料中的作用区域；步骤4，根据步骤2得到的应力分布结果，结合步骤3纵波与横波波阵面在切削材料中的作用区域，分析得到刀片撞击切削材料瞬间，产生的应力波传播、反射及迭加形成复合应力波效应的过程。

Description

一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法
技术领域
本发明涉及机械工程中的高速加工，具体为一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法。
背景技术
高速切削技术在大幅度提高加工效率的同时切削力也得到下降，且大部分切削热被切屑带走，能提高刀具寿命和工件表面质量，成为一些大型薄壁件、发动机叶片等零件加工的迫切需求。但与传统速度的切削加工相比，高速切削过程中呈现出了许多无法利用传统的剪切滑移理论解释的特殊现象：如切削力减小，但伴随着高频周期波动；切屑锯齿化，甚至单元崩碎等。为使高速切削技术更好的发展，高速切削机理值得深入研究。
当高速切削时，局部材料区域应变高达8～10，应变率高达106/s，甚至更高；刀具冲击材料(尤其是多齿铣削)的载荷作用时间极短，在这样的动载荷条件下，材料介质微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，材料介质的惯性效应突显，不得不考虑应力波的作用。此外，在微-介观尺度下，由于(多晶)材料的晶粒取向、晶界强度差异以及组织缺陷等使得材料表现出微观不均匀性，这对应力的传播会造成巨大影响，同时这种不均匀性会在应力波冲击的作用下成倍放大，使材料力学性能发生很大变化。因此高速铣削过程的应力波效应不容忽视，分析刀具冲击材料产生的应力波传播过程成为研究应力波对材料作用的前提，为研究高速切削机理奠定基础。
目前，检测一般性应力波的通用方法有电测法和动态光弹性法，前者通过在材料中特定位置安装应变仪检测应变变化的大小和时间来推导应力波的传播过程，该方法前期准备过程繁琐，且需要专用设备，不能直观、简单的得到全场范围内的应力波传播轨迹；后者多采用平行光投射式偏振光光学系统，用于冲击动力学应力波问题研究，但由于光学系统结构的限制，难以用于高速铣削过程中的应力波传播过程的拍摄。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，操作方便，分析简单，能够深入研究刀片撞击材料瞬间产生的切削应力波传播、反射及迭加过程。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，包括如下步骤，
步骤1，利用高速摄像机经光学系统连续拍摄高速铣削过程中的应力条纹从刀具前刀面到切削材料内部的传播过程，得到高速铣削过程中的应力波传播轨迹；
步骤2，对步骤1中的高速铣削过程进行仿真，利用离散元法对高速铣削过程中切削材料的应力进行数值计算，得到切削材料在整个高速铣削过程中的应力分布结果；
步骤3，根据平面应力状态下应力波波速的理论计算公式：
计算得到应力波纵波与横波在切削材料中的传播速度，并结合步骤1得到的应力波传播轨迹，得到高速铣削过程中应力波纵波与横波的波阵面位置信息及在切削材料中的作用区域；
步骤4，根据步骤2得到的应力分布结果，结合步骤3纵波与横波波阵面在切削材料中的作用区域，分析得到刀片撞击切削材料瞬间，产生的应力波传播、反射及迭加形成复合应力波效应的过程。
优选的，步骤1中，利用高速铣床对切削材料进行高速铣削，其铣削方式采用正交铣削，铣削力均匀作用于材料厚度方向。
优选的，步骤1中，利用高速摄像机连续拍摄应力条纹传播过程时，具体包括如下步骤：
步骤1.1，调整光学系统，调整光学系统的中轴线与高速铣床主轴方向平行；所述的光学系统包括与高速摄像机同轴设置的光源、毛玻璃片、起偏镜和检偏镜；光源和高速摄像机分别设置在切削材料两侧，检偏镜设置在高速摄像机的镜头上，毛玻璃片和起偏镜依次设置在光源和切削材料之间；
步骤1.2，设置高速摄像机参数，设置高速摄像机的曝光时间、拍摄速率、拍摄触发模式和分辨率，并调整检偏镜的偏振轴方向，使得经过检偏镜后的光场为暗场；
步骤1.3，获取应力波传播轨迹，运行高速铣床并进行铣削加工初始化，进行铣削并开始拍摄应力条纹的传播过程。
进一步，所述光源采用白色背景的无频闪LED灯，用于保证高速摄像机的连续拍摄。
优选的，所述切削材料采用板材，其厚度小于铣刀盘所采用的刀片侧刃长度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明所述的方法中，在光学系统中加入毛玻璃片，为漫射光式系统；将检偏镜与高速摄像机结合到一起，保证进入摄像机的光束已全部检偏，并缩短光路距离；所述光源直径大，不需要扩束镜将光束直径扩大，其光路结构简单，操作简便，不需要应变仪、数据处理系统或准直扩束透镜装置等，与高速铣床结合到一起，能够用于动态观测铣削过程中的应力波传播轨迹，成本较低，并且前期准备工作少，操作使用简便，能够直观地记录下应力波在一个范围内的传播轨迹，从而分析应力波的反射、透射及迭加过程。
(2)应力条纹的定量信息可以直接从离散元计算中得到，而不需要对实验观测的应力条纹进行后期处理，避免了繁琐的条纹判读，提高了总体效率；同种材料首次经过实验观测与仿真对比后，其他不同铣削参数(如主轴转速、每齿进给量、铣削宽度等)下的应力波效应分析，可以直接通过离散元计算进行，方便、快捷，大大提高多因素实验效率。
附图说明
图1为本发明实施例中高速摄像机和光学系统的布置示意图；其中：1—光源，2—毛玻璃片，3—起偏镜，4—切削材料，5—检偏镜，6—高速摄像机，7—铣刀盘。
图2为本发明实施例中拍摄到的应力波传播轨迹的瞬时截图，其中，(a)为铣刀片刚好撞击材料时刻的应力条纹轨迹，(b)(c)(d)依次为应力条纹经过一段时间传播后的轨迹，相邻两时刻截图之间的时间均为22.2μs。
图3a为本发明实施例中高速铣削过程中某一时刻时应力条纹轨迹的实验观测图。
图3b为与图3a同一时刻的仿真二维应力云图。
图3c为与图3a同一时刻的仿真三维应力幅值。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明通过简单的实验装置和离散元数值仿真技术，提供一种便于分析高速铣削过程中应力波效应的方法，包括的步骤如下。
(1)首先获取高速铣削过程中的应力波传播轨迹：
基于动态光弹性实验原理，如图1所示，利用由光源1、毛玻璃片2、起偏镜3和检偏镜5组成的偏振光光学系统和高速摄像机5，拍摄观测高速正交铣削时刀片撞击材料瞬间产生的应力条纹的传播过程。其包括三个实验步骤：
1)调整光学系统：调整光学元件的相对位置，保证光学系统的中轴线与高速铣床主轴方向平行；
2)设置高速摄像机6参数：设置高速摄像机6相应参数，并调整检偏镜5的偏振轴方向，使得经过检偏镜5后的光场为暗场；
3)获取应力波传播轨迹：运行高速铣床并进行铣削加工初始化，进行铣削并开始拍摄应力条纹的传播过程。
(2)其次进行高速铣削过程的仿真：通过离散单元法模拟高速正交铣削过程，计算材料中的应力在整个高速铣削过程中的分布情况。
(3)最后，根据平面应力状态下应力波波速理论公式：
计算得到应力波纵波与横波在切削材料4中的传播速度，结合步骤1得到的应力波传播轨迹，得到高速铣削过程中应力波纵波与横波的波阵面；根据步骤2得到的应力分布结果，结合纵波与横波波阵面在切削材料4中的作用区域，分析得到刀片撞击切削材料4瞬间，产生的应力波传播、反射及迭加形成复合应力波效应过程。
其中，光源1优选的采用无频闪LED灯光，其光束直径大，不需要扩束镜将光束直径扩大；切削材料4为板材，其厚度小于铣刀盘7所采用的刀片侧刃长度，保证铣削过程为正交切削。将检偏镜5与高速摄像机6结合到一起，保证进入摄像机的光束已全部检偏，并缩短光路距离，操作简便。所述偏振光光学系统中加入毛玻璃片2，为漫射光式系统。
具体的优选实例的试验步骤如下。
1.应力波传播轨迹的实验获取。
首先需要如图1所示的漫射光式偏振光光学系统进行铣削过程中的应力条纹传播过程拍摄，要求光学系统的中轴线与立式铣床主轴方向平行；
实施例所用的切削材料4为聚碳酸酯(Polycarbonate)板材，厚度为5mm，小于铣刀盘7所采用的刀片(SANDVIK CoroMill 290)的侧刃长度-8mm，从而保证正交铣削过程；聚碳酸酯板材4固定在铣床工作台夹具之上，起偏镜3和毛玻璃片2位于4的正下方，并固定在与工作台垂直的滑动导轨上，可以在竖直方向上调整位置；
实施例所用的光源1为白色背景色无频闪LED灯，其功率为200W，照度为70000lux，保证高速摄像机6在高频采样时的曝光强度，光源1位于工作台下方，并保证光束中心线通过起偏镜圆心；检偏镜5与高速摄像机6的镜头连接在一起，光路调整方便，保证了进入摄像机镜头的光束都经过检偏，摄像机的位置位于聚碳酸酯板材4的正上方。
获取应力波传播轨迹的具体步骤如下：
(1)搭建如图1所示的偏振光光学系统：调整无频闪LED灯光1和毛玻璃片2的相对位置关系，保证光束到达毛玻璃片2时的光斑尺寸不小于起偏镜3的直径，使得照射到聚碳酸酯4上的光照强度均匀；起偏镜3与4保持有一定距离，确保不干涉铣削过程；调整高速摄像机6在竖直方向上(z向)的位置，保证捕捉到的画面尺寸在应力波传播范围内，并调整摄像机的镜头焦距和偏摆位置，使得摄像机镜头捕捉到的聚碳酸酯板4上表面画面清晰，然后点击进入到low light模式；
(2)接通光源1和高速摄像机6的电源，调整检偏镜5的角度，保证偏振轴方向垂直于起偏镜偏振轴，使得经过检偏镜后的偏振光为暗场；设置高速摄像机6的曝光时间、拍摄速率、拍摄触发模式和分辨率，等待铣削过程进行；
(3)运行立式铣床并进行铣削加工前的对刀操作，设置相应的切削参数(转速、进给速度、进给方向)，进行聚碳酸酯4的顺铣切削实验，当铣刀片前刀面将要撞击工件材料时，点击高速摄像机6的触发按钮，记录刀片撞击材料瞬间的应力条纹的传播过程。
图2为刀盘直径D＝160mm，主轴转速n＝3000r/min，铣削宽度ae＝73mm，每齿进给量fz＝0.5mm铣削参数下观测到的应力波传播轨迹的瞬时截图。其中，(a)为铣刀片刚好撞击材料时刻的应力条纹轨迹，(b)(c)(d)依次为应力条纹经过一段时间传播后的轨迹，相邻两时刻截图之间的时间均为22.2μs。
2.高速铣削过程的仿真
利用离散元法建立PC板材的离散元模型，并对其进行二维正交切削仿真。模型采用七圆盘离散单元密排结构，各单元间距相同，材料质量集中在离散单元上，单元之间有法向和切向连接元件相连接，连接元件的刚度值通过能量原理由材料的宏观力学参数计算得到(弹性模量，泊松比)。将刀具视为刚体，沿直线对材料进行二维切削，切削深度与实验中的刀具接触工件材料时的瞬时切削层厚度相同。仿真结果以最大剪应力云图的输出形式进行图示化表达，如附图3b、3c所示。
3.应力波作用过程分析
根据铣削材料的尺寸特征，在厚度方向上远远小于另外两个方向尺寸，并且正交铣削时的受力过程近似为平面应变状态，即材料在厚度方向上受力均匀，所以聚碳酸酯材料平板的受力模型简化为平面应力状态，由此推导出应力波速的理论计算公式为：
式中E、υ、ρ分别为材料的杨氏模量、泊松比和密度。该材料对应的属性值分别为2.4GPa、0.39、1200kg/m3。由此计算出应力纵波与横波在PC板材料中的理论传播速度值分别为：CL＝1536m/s，CT＝848m/s。
刀具撞击PC板瞬间产生的应力波传播轨迹如图2所示，图中分别表示四个相邻时刻下的应力条纹轨迹。假设图中应力扰动最前端(与无应力状态区域的分离线)为纵波(L曲线)的波阵面，假设自由边界(上边界和右边界)的应力畸变点(即图3中的A、B点)的连接线为横波(T曲线)的扰动面，则在相邻的时间范围内纵波的传播距离：
Δl21＝l2-l1＝34.16mm
Δl32＝l3-l2＝34.18mm；
同理横波的传播距离：
Δl'32＝l'3-l'2＝17.93mm
Δl'43＝l'4-l'3＝17.91mm；
相邻时刻之间具有相等的时间间隔：Δt＝22.2μs；
分别取各自传播距离的平均值作为应力波的实际传播距离，计算出实验测量纵波波速CL＝1539m/s，横波波速CT＝807m/s。该结果与理论值相差无几，证明图中假设曲线L、T实为纵波与横波的扰动面。
根据附图3a，刀具冲击工件材料后分别产生纵波L和横波T，并向材料内部传播。在自由边界上，经反射后形成反射纵波与反射横波，并与初始的压缩区迭加形成复合应力波作用区域1、4，即为首波区；与初始横波作用区域迭加形成另两个复合应力波作用区域2、3。实验观测图中条纹较为密集的部分即为应力突变较为显著的地方，结合仿真结果可以看到，刀尖附近的应力值最大，达到1MPa以上，而刀尖上方前刀面附近的应力值相对较弱，是应力波在自由表面发生发射卸载后的影响。同时，根据图3c中仿真的应力幅值分布，发现在剪切波的波阵面处，材料所受应力发生了剧烈突变。此外，在与铣削进给方向平行的自由表面上，纵波波阵面幅值明显高于垂直的自由表面上的纵波幅值，达3倍左右，而剪切波波阵面幅值差异并不明显。
以上应力波传播轨迹与铣削参数关系密切，不同参数下的应力波效应会有很大差别，通过改变铣削参数可以实现不同切削状态下的应力波效应分析，上述实施例只是举例说明，不是仅有，所有在本发明范围内或类似本发明范围内的改变均被本发明包含。

Claims (5)

1.一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，利用高速摄像机(6)经光学系统连续拍摄高速铣削过程中的应力条纹从刀具前刀面到切削材料(4)内部的传播过程，得到高速铣削过程中的应力波传播轨迹；
步骤2，对步骤1中的高速铣削过程进行仿真，利用离散元法对高速铣削过程中切削材料(4)的应力进行数值计算，得到切削材料(4)在整个高速铣削过程中的应力分布结果；
步骤3，根据平面应力状态下应力波波速的理论计算公式：
计算得到应力波纵波与横波在切削材料(4)中的传播速度，并结合步骤1得到的应力波传播轨迹，得到高速铣削过程中应力波纵波与横波的波阵面位置信息及在切削材料(4)中的作用区域；
步骤4，根据步骤2得到的应力分布结果，结合步骤3纵波与横波波阵面在切削材料(4)中的作用区域，分析得到刀片撞击切削材料(4)瞬间，产生的应力波传播、反射及迭加形成复合应力波效应的过程。
2.根据权利要求1所述的一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其特征在于，步骤1中，利用高速铣床对切削材料(4)进行高速铣削，其铣削方式采用正交铣削，铣削力均匀作用于材料厚度方向。
3.根据权利要求1所述的一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其特征在于，步骤1中，利用高速摄像机(6)连续拍摄应力条纹传播过程时，具体包括如下步骤：
步骤1.1，调整光学系统，调整光学系统的中轴线与高速铣床主轴方向平行；所述的光学系统包括与高速摄像机(6)同轴设置的光源(1)、毛玻璃片(2)、起偏镜(3)和检偏镜(5)；光源(1)和高速摄像机(6)分别设置在切削材料(4)两侧，检偏镜(5)设置在高速摄像机(6)的镜头上，毛玻璃片(2)和起偏镜(3)依次设置在光源(1)和切削材料(4)之间；
步骤1.2，设置高速摄像机参数，设置高速摄像机(6)的曝光时间、拍摄速率、拍摄触发模式和分辨率，并调整检偏镜(5)的偏振轴方向，使得经过检偏镜(5)后的光场为暗场；
步骤1.3，获取应力波传播轨迹，运行高速铣床并进行铣削加工初始化，进行铣削并开始拍摄应力条纹的传播过程。
4.根据权利要求3所述的一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其特征在于，所述光源(1)采用白色背景的无频闪LED灯，用于保证高速摄像机(6)的连续拍摄。
5.根据权利要求1所述的一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其特征在于，所述切削材料(4)采用板材，其厚度小于铣刀盘(7)所采用的刀片侧刃长度。
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