CN107967384A - 一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法，包括：步骤(1)根据实际情况确定所需仿真参数；步骤(2)建立二维铣削残余应力仿真模型；步骤(3)初次计算铣削仿真残余应力；步骤(4)多次迭代计算获取最终铣削残余应力。本发明能够降低铣削残余应力仿真所需硬件要求，提高仿真效率，减少仿真计算时间，且与常规二维仿真相比，能获得更为精确的仿真结果。

Description

一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法

技术领域

本发明涉及金属切削加工过程中残余应力获取的技术领域，具体涉及一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法，适用于各类材料的残余应力铣削仿真试验。

背景技术

金属在切削加工过程中不可避免地引入加工残余应力。加工残余应力是衡量工件表面质量的一项重要指标，严重影响着零件的静力强度、疲劳强度及抗应力腐蚀能力，进而影响零件的使用寿命。同时，残余应力还影响着零件的形状精度和尺寸稳定性，在航空薄壁件的加工中，铣削加工残余应力的存在及其在后续使用过程中的不稳定性会造成应力松弛和再分布，从而引起构件的加工变形。鉴于残余应力的性质、大小及其分布对零件使用性能的重要影响，对加工后残余应力的分布规律进行定量分析具有重要意义。然而现有的研究主要集中在车削、磨削加工残余应力，对铣削加工残余应力研究很少，迫切需要一种铣削残余应力的精确获取方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题为：主流的铣削仿真过程中，三维切削仿真方法计算量大，耗时长，需要浪费极大的资源配置，并不符合现有阶段的科研设计节奏；二维仿真数值提取的区域处于切屑区域，仿真结果与铣削工件表面完整性相差较大，不能满足现有科研设计需求的问题。本发明考虑铣削工艺特点，结合二维铣削仿真特性，提出一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法，实现了计算精度和计算代价的双重考量。

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法，该方法步骤如下：

步骤(1)、根据实际情况确定所需仿真参数，需要确定的仿真参数为加工刀具的前角α、前角β、刀具半径r，被加工工件材料的本构模型、密度、热导率、杨氏模量、热容、泊松比，切削的铣削深度a、铣削宽度b；

步骤(2)、建立二维铣削残余应力仿真模型，需建立仿真模型分为刀具模型和工件模型，其中刀具模型为三角形，其中一个锐角角度为90-α-β，工件模型是三角形和矩形的组合，上部分为直角三角形，直角边长度分别为铣削宽度b(mm)和c(mm)，下部分为矩形，高度为1(mm)，宽度为c(mm)，其中

步骤(3)、初次计算铣削仿真残余应力，需按照铣削角度要求摆放刀具，刀具刀尖沿工件三角形与矩形的交界线运动，切削深度深度由b(mm)逐渐减为0(mm)；

步骤(4)、多次迭代计算获取最终铣削残余应力，需根据需求确定迭代次数N，每次迭代时残余应力从工件矩形区域中选取，第n次迭代选取的点距三角形与矩形区域交界的直角边距离三角形区域另一直角边将提取的残余应力作为初始应力代入下次计算中，直至N次迭代完成。

本发明的原理：使用多次迭代的方法，将某次仿真计算的残余应力作为下一次仿真的初始应力带入计算，以此提高二维铣削仿真的计算精度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：首先，相较于其他铣削残余应力数值计算方法，本发明采用有限元仿真进行计算，使用难度较低，不需要很强的理论知识，且能够适应更加复杂的加工条件；其次，相较于其他二维铣削残余应力计算方法，本发明提供方法拥有更高的计算精度；最后，相较于其他三位铣削残余应力，能够极大的提升计算速度，降低资源使用率。本发明可操作性强、精确度高，只需经过简单的分析计算和数据迭代，即可得到接近真实工况的铣削残余应力，为铣削机理研究和表面完整性控制提供可靠数据。

附图说明

图1为本发明一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法流程图；

图2为本发明的模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明提供一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法，其方法流程如下：

步骤(1)、根据实际情况确定所需仿真参数；

所述步骤(1)中需要确定的仿真参数为加工刀具的前角α、前角β、刀具半径r，被加工工件材料的本构模型、密度、热导率、杨氏模量、热容、泊松比，切削的铣削深度a、铣削宽度b。

步骤(2)、建立二维铣削残余应力仿真模型；

所述步骤(2)中的仿真模型分为刀具模型和工件模型，其中刀具模型为三角形，其中一个锐角角度为90-α-β，工件模型是三角形和矩形的组合，上部分为直角三角形，直角边长度分别为b(mm)和c(mm)，下部分为矩形，高度为1(mm)，宽度为c(mm)，其中，

步骤(3)、初次计算铣削仿真残余应力；

所述步骤(3)中按照铣削角度要求摆放刀具，刀具刀尖沿工件三角形与矩形的交界线运动，切削深度深度由b(mm)逐渐减为0(mm)。

步骤(4)、多次迭代计算获取最终铣削残余应力。

所述步骤(4)中需根据需求确定迭代次数N，每次迭代时残余应力从工件矩形区域中选取，第n次迭代选取的点距三角形与矩形区域交界的直角边距离三角形区域另一直角边将提取的残余应力作为初始应力代入下次计算中，直至N次迭代完成。

实施例1

下面举例具体说明本发明方法，但本发明的保护范围不限于下述实例：

步骤(1)：刀具前角5°，刀具后角16°，刀具半径为2mm；被加工材料为钛合金，本构模型为：

密度为4.43g/cm³、热导率为7.03W·m^-1·℃^-1、杨氏模量为110Gpa、热容为505J/kg·℃、泊松比0.34；铣削宽度为0.2mm，铣削深度为0.4mm。

步骤(2)：建立刀具模型，其中一个锐角角度为69°；建立三角形和矩形的组合的工件模型，上部分为直角三角形，直角边长度分别为0.2(mm)和1.3(mm)，下部分为矩形，高度为1(mm)，宽度为1.3(mm)。

步骤(3)：按照金属切削原理中前、后角定义摆放刀具，且刀具刀尖沿工件三角形与矩形的交界线运动，切削深度深度由0.2(mm)逐渐减为0(mm)。

步骤(4)：假定迭代次数为4，每次迭代时残余应力从工件矩形区域中选取，第n次迭代选取的点距三角形与矩形区域交界的直角边距离三角形区域另一直角边将提取的残余应力作为初始应力代入下次计算中，直至4次迭代完成，数据如表1所示。

表1迭代数据

最终获得铣削残余应力为259.966Mpa。

Claims (1)

1.一种基于二维仿真分析的铣削残余应力精确获取方法，其特征在于，该方法步骤如下：

步骤(1)、根据实际情况确定所需仿真参数，需要确定的仿真参数为加工刀具的前角α、前角β、刀具半径r，被加工工件材料的本构模型、密度、热导率、杨氏模量、热容、泊松比，切削的铣削深度a、铣削宽度b；

步骤(2)、建立二维铣削残余应力仿真模型，需建立仿真模型分为刀具模型和工件模型，其中刀具模型为三角形，其中一个锐角角度为90-α-β，工件模型是三角形和矩形的组合，上部分为直角三角形，直角边长度分别为铣削宽度b(mm)和c(mm)，下部分为矩形，高度为1(mm)，宽度为c(mm)，其中

步骤(3)、初次计算铣削仿真残余应力，需按照铣削角度要求摆放刀具，刀具刀尖沿工件三角形与矩形的交界线运动，切削深度深度由b(mm)逐渐减为0(mm)；

步骤(4)、多次迭代计算获取最终铣削残余应力，需根据需求确定迭代次数N，每次迭代时残余应力从工件矩形区域中选取，第n次迭代选取的点距三角形与矩形区域交界的直角边距离三角形区域另一直角边将提取的残余应力作为初始应力代入下次计算中，直至N次迭代完成。