CN107944087A - 薄壁件铣削变形的快速实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种薄壁件铣削变形的快速实现方法及系统，通过建立薄壁件的几何模型，并按照自适应选点法对刀具加工路径进行离散化，计算并拟合出变形曲线，再通过进给量、轴向切深、径向切深计算出铣削力(即线性载荷)并施加在薄壁件离散点处，计算该薄壁件离散点处的变形是否满足要求，最后将加工路径上所有离散点的变形结果输出并进行拟合，进而得到铣削力所致变形误差曲线。本发明基于APDL将连续的刀具加工轨迹离散化，合理选取离散点，建立集移动载荷、生死单元判定、迭代计算于一体的APDL仿真程序，可快速高效地对铣削力所致工件变形进行计算。

Description

薄壁件铣削变形的快速实现方法及系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种薄壁件铣削变形的快速实现方法及系统。

背景技术

薄壁件以其结构紧凑、质量轻的特点广泛用于汽车、船舶工业和航空航天领域中。但这种零件截面形状变化大，实际加工余量大，相对刚度低，对形状位置精度要求高。在切削加工这样的零件时，由于其本身刚度低，在切削力作用下由于变形会产生较为严重的让刀现象，影响最终的加工精度，严重时可导致零件报废。因此求出薄壁件在切削力作用下的变形十分重要。

发明内容

本发明针对现有技术利用传统有限元法计算薄壁件铣削力所致变形误差曲线需经过几何建模、划分网格、施加约束、变形求解等步骤，耗时长，操作极为繁琐等缺陷，提出一种薄壁件铣削变形的快速实现方法及系统，基于ANSYS参数化设计语言APDL将连续的刀具加工轨迹离散化，合理选取离散点，建立集移动载荷、生死单元判定、迭代计算于一体的APDL仿真程序，可快速高效地对铣削力所致工件变形进行计算。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种薄壁件铣削变形的快速实现方法，通过建立薄壁件的几何模型，并按照自适应选点法对刀具加工路径进行离散化，计算并拟合出变形曲线，再通过进给量、轴向切深、径向切深计算出铣削力，即线性载荷并施加在薄壁件离散点处，计算该薄壁件离散点处的变形是否满足要求，最后将加工路径上所有离散点的变形结果输出并进行拟合，进而得到铣削力所致变形误差曲线。

所述的薄壁件的几何模型，优选为更精确地研究薄壁件变形并保证计算结果的准确性，按照薄壁件：模型为1：1的比例进行建模，同时定义材料特性，施加边界条件。

所述的变形是否满足要求是指：当该点处变形满足精度要求时，通过自适应选点法选取下一个点，否则改变切削深度值重新计算切削力，直至该点变形满足精度要求；通过不断施加和卸除载荷，可实现移动加载铣削力。

所述的自适应选点法，具体步骤包括：

1)将薄壁件沿长度方向平均分为N份，取前三个点1、2、3，计算相应变形分别为δ₁，δ₂，δ₃。此时前两步的步长ΔL₁＝ΔL₂，均为薄壁件总长L的N分之一。

2)取点n时，设当k_n≥f₁，步长伸长至L_n＝η₁×ΔL_n-1；当f₁≥k_n≥f₂，步长不变；当f₂>k_n，步长缩短至ΔL_n＝η₂×ΔL_n-1。

3)第n步的步长ΔL_n确定后即可得到第n+1个点的位置，计算该点的变形δ_n+1并求第n+1步的步长ΔL_n+1。

4)当总步长超过薄壁件长度时说明选点完毕，最后一点取薄壁件加工路径的终点。

所述的离散化，优选由于薄壁件上部与刀具接触，因此为得到更准确的结果并节省计算时间，离散化后的薄壁件上部的网格划分比下部细密。

所述的铣削力，具体通过以下方式计算得到：

a.在指定加工条件下进行槽铣实验，槽铣的平均铣削力满足： 其中：θ为刀具旋转角与周向包角的差值，t_x为每齿进给量，da为轴向切削深度，Z为刀具齿数，r为刀具半径，dr为径向切削深度；k_ts、k_rs、k_as分别是剪切力切向、径向和轴向铣削系数，k_tp、k_rp、k_ap分别是犁切力切向、径向和轴向铣削系数。

该平均铣削力可看成铣削参数为未知数的六元一次方程，通过槽铣实验测得的平均铣削力值，即可得到铣削参数k_ts、k_rs、k_as、k_tp、k_rp、k_ap的值。

b.侧铣时，平均铣削力满足：其中： 其中：θ₁＝0再将所求得的铣削参数k_ts、k_rs、k_as、k_tp、k_rp、k_ap的值及铣削参数值带入到上式，即可求得所需铣削力。

所述的线性载荷的长度优选为刀具切入薄壁件的轴向长度。

所述的移动加载铣削力，优选利用生死单元功能将被切除的部分去掉，即给被切除单元的刚度矩阵乘以一个趋近于零的常数，使其不影响求解结果。

所述的生死单元功能是指：一些单元在状态改变时表现出的刚度突变行为。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：模型定义模块、载荷计算模块、自适应选点模块以及曲线拟合模块，其中：模型定义模块定义几何模型的材料、单元类型、网格划分等属性，载荷计算模块计算施加在模型中关键点位置处的载荷，两者连接得到关键点处的变形信息，传递到自适应选点模块，得到选取的关键点信息，传递到曲线拟合模块，由曲线拟合模块生成模型的变形曲线。

技术效果

与现有技术相比，本发明考虑了铣削加工是一个工件材料不断去除的过程，刀具在加工时工件刚度在不断变化对于工件变形计算的影响，以及材料的去除使得实际切削深度不等于名义切削深度，对变形计算的影响。利用APDL及自适应选点法简化了计算过程。适用于框型，矩形，T型等薄壁件在铣削力作用下的变形。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为自适应选点法流程图；

图3为放大判断系数f₁不同时选点数和平均相对误差随步长伸长系数η₁变化图；

图4为矩形薄壁板变形计算自适应选点图；

图5矩形薄壁板切削变形曲线；

图6为框型薄壁件变形计算自适应选点图；

图7为框型薄壁件切削变形曲线。

具体实施方式

以下两个加工实施例中，刀具为硬质合金立铣刀，四刃，直径12mm，螺旋角30度。切削参数为进给量0.01mm/tooth，径向切深为1.5mm，轴向切深为7mm，主轴转速为1000rpm，工件材料为6061铝合金，同时令

实施例1

矩形薄壁板

用ANSYS中的APDL编程语言建立待切削薄壁板的三维几何模型，长、高、厚分别为90mm，70mm，8mm，根据实际切削情况，定义薄壁板底端固定，其余三端自由。将薄壁板的顶端均分成N＝64份，在初始迭代步长相同的情况下，分别取放大判断系数f₁＝1.3、1.5、1.7、2时，根据前面所述的自适应算法进行选点加载，并求得在步长伸长系数η₁变化时，选点数与平均相对误差值，具体实验结果如表1所示，对比结果如图3所示。

表1不同放大判断系数下，选点数和平均相对误差

可以看出，当放大判断系数f₁一定时，随着步长伸长系数η₁的增大，选点数减少，而平均误差增大。步长伸长系数η₁一定时，随着放大判断系数f₁的增大，选点数增多，平均误差减少。当f₁＝1.7，η₁＝1.7时，拟合所需13个点，平均误差为0.48％，因此达到计算效率和拟合精度的平衡。相比于传统的逐点施加力的方法，减少了51个点的变形计算过程，在处理器型号为Intel i5-5200U，主频为2.2GHz，操作系统为Win10的条件下运行该程序，运行时间为9s，大大地节省了计算时间。

选点具体位置如图4。将矩形薄壁件沿切削路径离散为64份，选点标记为三角形，标号为在64份中的序号。初始步长为切削总长度的六十四分之一，设为单位步长。可看出步长随刀具所在点处工件局部刚度的变化而变化，且局部刚度小的地方步长小，点数密集。拟合曲线与实际变形曲线对比如图5所示，由此可知拟合曲线和实际曲线近似重合。

实施例2

框型薄壁板

用ANSYS中的APDL编程语言建立待切削框形薄壁板的三维几何模型，长、宽、高分别为：110mm，70mm，50mm，薄壁厚度为8mm，根据实际切削情况，定义框形薄壁板底端固定，铣削其内壁。由实施例1可知f₁＝1.7，η₁＝1.7时，可达到计算效率和拟合精度的平衡。表2为N取不同值时选点数和平均误差的变化。可以看出当N＝64时，误差较小且点数不至于过多，具体选点位置如图6所示。拟合出的曲线与实际变形曲线如图7所示，二者近似重合，平均误差为6.4％。

表2

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种薄壁件铣削变形的快速实现方法，其特征在于，通过建立薄壁件的几何模型，并按照自适应选点法对刀具加工路径进行离散化，计算并拟合出变形曲线，再通过进给量、轴向切深、径向切深计算出铣削力，即线性载荷并施加在薄壁件离散点处，计算该薄壁件离散点处的变形是否满足要求，最后将加工路径上所有离散点的变形结果输出并进行拟合，进而得到铣削力所致变形误差曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的薄壁件的几何模型，按照薄壁件：模型为1：1的比例进行建模，同时定义材料特性，施加边界条件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的离散化，离散化后的薄壁件上部的网格划分比下部细密。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的铣削力，具体通过以下方式计算得到：

a.在指定加工条件下进行槽铣实验，槽铣的平均铣削力满足： 其中：θ为刀具旋转角与周向包角的差值，t_x为每齿进给量，da为轴向切削深度，Z为刀具齿数，r为刀具半径，dr为径向切削深度；k_ts、k_rs、k_as分别是剪切力切向、径向和轴向铣削系数，k_tp、k_rp、k_ap分别是犁切力切向、径向和轴向铣削系数，通过槽铣实验测得的平均铣削力值，即可得到铣削参数k_ts、k_rs、k_as、k_tp、k_rp、k_ap的值；

b.侧铣时，平均铣削力满足：其中： 其中：θ₁＝0，再将所求得的铣削参数k_ts、k_rs、k_as、k_tp、k_rp、k_ap的值及铣削参数值带入即可求得所需铣削力。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的铣削系数，包括剪切力切向、径向及轴向铣削系数及犁切力切向、径向及轴向铣削系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的线性载荷的长度为刀具切入薄壁件的轴向长度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的变形是否满足要求是指：当该点处变形满足精度要求时，通过自适应选点法选取下一个点，否则改变切削深度值重新计算切削力，直至该点变形满足精度要求；通过不断施加和卸除载荷，可实现移动加载铣削力。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征是，所述的自适应选点法，具体步骤包括：

1)将薄壁件沿长度方向平均分为N份，取前三个点计算相应变形分别为δ₁，δ₂，δ₃，此时前两步的步长ΔL₁＝ΔL₂，均为薄壁件总长L的N分之一；

2)取点n时，设当k_n≥f₁，步长伸长至L_n＝η₁×ΔL_n-1；当f₁≥k_n≥f₂，步长不变；当f₂>k_n，步长缩短至ΔL_n＝η₂×ΔL_n-1；

3)第n步的步长ΔL_n确定后即可得到第n+1个点的位置，计算该点的变形δ_n+1并求第n+1步的步长ΔL_n+1；

4)当总步长超过薄壁件长度时说明选点完毕，最后一点取薄壁件加工路径的终点。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的移动加载铣削力，利用生死单元功能将被切除的部分去掉，即给被切除单元的刚度矩阵乘以一个趋近于零的常数，使其不影响求解结果。

10.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：模型定义模块、载荷计算模块、自适应选点模块以及曲线拟合模块，其中：模型定义模块定义几何模型的材料、单元类型、网格划分等属性，载荷计算模块计算施加在模型中关键点位置处的载荷，两者连接得到关键点处的变形信息，传递到自适应选点模块，得到选取的关键点信息，传递到曲线拟合模块，由曲线拟合模块生成模型的变形曲线。