CN108021776A - 一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，涉及仿真预测领域，包括以下步骤：建立单步分析标准有限元模型并提取分析文件，建立切削理论模型，有限元网格节点预处理，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，初始化k时刻有限元分析模型文件，有限元分析，加工误差计算，判断是否所有待切削表面节点完成计算，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，获得表面加工误差云。该方法可以实现全加工时间域内复杂工件表面加工后的表面残留加工误差的仿真分析，获得最终加工后的表面误差点云，通过对表面点云数据的处理获得加工表面质量评价参数，有效获得加工表面误差的波动及分布规律。

Description

一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法

技术领域

本发明涉及仿真预测领域，尤其涉及一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法。

背景技术

平面铣削因其加工效率高，具有非连续的断续切削特性，同时适用于简单平面和复杂结构表面加工，广泛的应用于发动机缸体缸盖等的多孔洞的复杂结构表面的铣削加工中。其针对发动机缸体缸盖等的加工后的表面质量通常呈现出典型的“中间凹，四边翘曲”的加工误差模式，影响发动机缸体缸盖的密封性能和发动机的效率及服役性能。因此，建立复杂工件表面加工误差仿真预测方法，以准确的研究加工误差产生的机理、进行加工工艺参数的设计、控制加工后的表面加工误差具有十分重要的意义。

随着加工检测技术的发展，特别是全表面的三维高清检测技术，可以获得加工表面的纹理和高低起伏的三维图，对研究加工表面质量和加工过程的评价，提供了更加全面的分析数据。传统加工变形中，主要分析特征点的加工变形，特别是立铣刀铣削仿真过程中常用的单点误差的预测，不适用于评价平面铣削全表面加工误差。

唐东红等在论文“端铣加工工件变形仿真预测方法研究”(《北京理工大学学报》2008年第28卷第8期，678-681页)中提到采用加工过程离散与载荷等效的方法将瞬态铣削力施加于工件的有限元模型上，可以模拟工件三维铣削加工过程中的变形。该方法采用理论计算将加工过程离散化的计算的结果作为有限元加载值，参与有限元的分析，实现了瞬时工件变形的预测。其主要采用准静态加载的方式模拟了缸体的瞬时加工误差，而无法建立全时间域内的表面加工变形。李目等在论文“铣削加工中工件变形仿真预测方法研究”(《机械制造》2010年第48卷第545期，51-55页)中提到铣削加工是一个较复杂的过程，同时伴有进给运动和旋转运动，且载荷周期性地加载在工件上进行切削，并提出基于热——机耦合弹塑性有限元方法，采用ABAQCS有限元仿真软件，以测工件在铣削力和铣削热耦合作用下的变形情况。由于采用直接有限元法，其可以较好的预测瞬时加工热变形，主要进行切削机理性的研究，但效率较低且仿真范围较小5mm×15mm，无法适用于大型复杂工件表面的加工误差仿真。EYSION等在论文“Machined surface error analysis-a face millingapproach”(《先进制造系统杂志》2011年第10卷第2期，293-307页)中提出采用ANSYS提取的柔度矩阵导入MATLAB中直接计算加工变形的方法，主要采用的是实际实验测得的均匀力加载，且采用的是立铣刀中单点加载分析的方式，仅适用于分析平面铣削中平面度的仿真，不适用于多齿盘铣刀的表面加工变形仿真预测。

专利公开号为CN102592035A、名称为“一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法”的中国专利，提出了一种几何仿真和物理仿真结合的切削表面形貌仿真方法，通过几何映射的方法将工件动态静态变化叠加形成表面加工残留形貌，属于粗糙度尺度范围，且不适用于平面铣削中主要由加工变形导致的表面加工误差的仿真。

当前铣削加工表面质量的仿真预测主要集中于瞬时加工变形，或者多个特定切削位置处的加工变形，无法实现时间域内的复杂工件表面的多齿面铣削加工误差形貌仿真预测。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种根据工件表面几何特征以及盘铣刀切削轨迹，能够获得任意时刻、任意断续切削位置处的铣削力和有限元分析模型，获得加工后的残留误差，从而实现加工过程中平面铣削后的全表面加工误差仿真的预测方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是对复杂工件全表面加工误差进行仿真，该方法可以实现全加工时间域内复杂工件表面加工后的表面残留加工误差的仿真分析，获得最终加工后的表面误差点云，通过对表面点云数据的处理获得加工表面质量评价参数，有效的获得加工表面误差的波动及分布规律。

为实现上述目的，本发明提供了一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，包括以下步骤：

步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；

步骤200，建立切削理论模型，确定复杂孔洞表面非切削区域的几何判断准则，进入步骤300；

步骤300，有限元网格节点预处理，确定切削循环采样k时刻切削位置，进入步骤400；

步骤400，第k次循环的切削力加载，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；

步骤500，初始化k时刻有限元分析模型，将k时刻的铣削力及相应的铣削位置写入标准有限元模型分析文件，更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件，进入步骤600；

步骤600，有限元分析，导入第k次循环步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形，进入步骤700；

步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤800；

步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，则使k＝k+1，进入步骤300；如果是，则进入步骤900；

步骤900，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云。

进一步地，步骤100还包括将待加工工件的CAD模型导入有限元软件中划分网格，按照实际加工过程中的定位建立有限元模型的约束条件，并赋予材料属性。

进一步地，步骤100中采用ABAQUS有限元软件，采用适用于复杂工件表面的六面体非规则网格将待测工件CAD模型网格化。

进一步地，步骤200中，建立切削理论模型包括建立平面铣削切削刃上的三维切削力模型，以及刀具切削刃的切削轨迹几何模型。

进一步地，步骤200中，切削刃上的铣削力与瞬时材料去除量相关，各切削刃的轨迹由旋转和进给运动叠加确定。

进一步地，步骤200中，非切削区域的确定采用工件边界几何和是否在有限元节点坐标集中共同确定。

进一步地，步骤300中，将待切削表面的网格节点按切削先后顺序排序，采样k时刻切削位置对应第k个表面切削节点。

进一步地，步骤500中，将步骤400中获得的k时刻的铣削力及相应的铣削位置通过MATLAB写入标准有限元模型分析文件，通过MATLAB更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件。

进一步的，步骤600中，通过MATLAB将步骤500中获得的第k次循环步的有限元分析文件导入至有限元计算软件ABAQUS中。

进一步地，步骤600中，切削位置k处的加工变形通过MATLAB从有限元仿真的结果文件ODB中提取，并传递给MATLAB进行分析。

进一步地，步骤800中，循环加载加载结束条件为第k个表面切削节点为最后一个切削时刻的节点。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提出一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，建立基于MATLAB轨迹重构和ABAQUS有限元变形分析的耦合仿真模型，通过MATLAB和ABAQUS的数据传递，分析任意时刻，任意断续切削位置处的铣削力和有限元模型，实现复杂孔洞表面平面铣削后的全表面加工误差仿真。该方法可以获得最终加工后的表面误差点云，通过对表面点云数据的处理获得加工表面质量评价参数，有效的获得加工表面误差的波动及分布规律，为后续分析加工误差形成机理和加工过程参数的设计提供了先决条件，具有重要的工程实用价值。

2.本发明提出MATLAB和ABAQUS的通过数据传递的耦合分析方法，解决了多切削采样位置的自动分析过程，不同于现有的依靠手动加载，建立单一的有限元分析模型，仅能研究个别关键位置处的加工误差，该方法可以全切削时间域内的节点循环分析，从而获得更加全面的表面加工误差点云，更有利于研究切削加工的全过程变化。同时，由于采用循环分析的方式，可以解决多齿盘铣刀平面铣削过程中非连续的断续切削问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明所述的一个较佳实施例的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法流程图；

图2是本发明所述的典型仿真循环步下有限元分析的应力云图；

图3是本发明所述的仿真获得的表面加工误差点云三维图像；

图4是本发明所述的仿真获得的表面加工误差点云平面图像。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，包括以下步骤：

步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；

步骤200，建立切削理论模型，确定复杂孔洞表面非切削区域的几何判断准则，进入步骤300；

步骤300，有限元网格节点预处理，确定切削循环采样k时刻切削位置，进入步骤400；

步骤400，第k次循环的切削力加载，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；步骤500，初始化k时刻有限元分析模型，将k时刻的铣削力及相应的铣削位置写入标准有限元模型分析文件，更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件，进入步骤600；

步骤600，有限元分析，导入第k次循环步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形，进入步骤700；

步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤800；

步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，则使k＝k+1，进入步骤300；如果是，则进入步骤900；

步骤900，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云。

如图1至图4所示，一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，包括以下步骤：

步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，将特征件三维CAD实体模型导入有限元ABAQUS软件中，采用六面体C3D8R型八节点非规则网格将CAD模型网格化，共获得9480个网格单元、11744个节点，其中待测上表面共有节点802个，加工时采用的是底面夹紧，因此约束条件设置为工件底面固结，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；

步骤200，建立平面铣削切削刃上的三维切削力模型以及刀具切削刃的切削轨迹几何模型，切削刃上的铣削力与瞬时材料去除量相关，各切削刃的轨迹由旋转和进给运动叠加确定，非切削区域的确定采用工件边界几何和是否在有限元节点坐标集中共同确定，并采用MATLAB软件建立采样分析模型，进入步骤300；

步骤300，有限元网格节点预处理，将步骤100建立的有限元模型文件导出，提取有限元模型网格节点坐标导入MATLAB软件；结合工件几何尺寸，提取位于待切削表面的网格节点集，并将其按加工时间顺序排序；确定切削循环采样k时刻切削位置，采样k时刻切削位置对应第k个表面切削节点，采样频次共802次，进入步骤400；

步骤400，第k次循环的切削力加载，运用MATLAB软件，将步骤300确定的工件切削位置k处的节点位置映射至切削轨迹上，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；

步骤500，进行k时刻循环步的有限元分析，将步骤400获得的k时刻的铣削力及相应的铣削位置通过MATLAB写入标准有限元模型分析文件，施加至k时刻的切削节点上，通过MATLAB更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件；

步骤600，计算切削位置k处的加工变形，通过MATLAB将步骤500中获得的第k次循环步的有限元分析文件导入至有限元计算软件ABAQUS中，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形；通过MATLAB从有限元仿真的结果文件ODB中提取切削位置处的加工变形，并传递给MATLAB进行分析，进入步骤700；

步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤700；

步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，即k<802时使k＝k+1，计算下一个切削时刻对应切削位置处的加工变形，进入步骤300，直至k＝802，获得所有待切削表面节点的加工变形；如果是，即k＝802，则进入步骤900；如图2所示，各切削循环中，变形发生在刀尖与工件的接触区域，变形导致实际材料去除位置偏离名义加工尺寸，形成加工残留误差；

步骤900，如图3、图4所示，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云图。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；

步骤200，建立切削理论模型，确定复杂孔洞表面非切削区域的几何判断准则，进入步骤300；

步骤300，有限元网格节点预处理，确定切削循环采样k时刻切削位置，进入步骤400；

步骤400，第k次循环的切削力加载，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；

步骤500，初始化k时刻有限元分析模型，将k时刻的铣削力及相应的铣削位置写入标准有限元模型分析文件，更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件，进入步骤600；

步骤600，有限元分析，导入第k次循环步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形，进入步骤700；

步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤800；

步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，则使k＝k+1，进入步骤300；如果是，则进入步骤900；

步骤900，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云。

2.如权利要求1所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤100还包括将待加工工件的CAD模型导入有限元软件中划分网格，按照实际加工过程中的定位建立有限元模型的约束条件，并赋予材料属性。

3.如权利要求2所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤100中采用ABAQUS有限元软件，采用适用于复杂工件表面的六面体非规则网格将待测工件CAD模型网格化。

4.如权利要求1所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤200中，建立切削理论模型包括建立平面铣削切削刃上的三维切削力模型，以及刀具切削刃的切削轨迹几何模型。

5.如权利要求4所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤200中，切削刃上的铣削力与瞬时材料去除量相关，各切削刃的轨迹由旋转和进给运动叠加确定。

6.如权利要求5所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤200中，非切削区域的确定采用工件边界几何和是否在有限元节点坐标集中共同确定。

7.如权利要求1所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤300中，将待切削表面的网格节点按切削先后顺序排序，采样k时刻切削位置对应第k个表面切削节点。

8.如权利要求1所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤500中，将步骤400中获得的k时刻的铣削力及相应的铣削位置通过MATLAB写入标准有限元模型分析文件，通过MATLAB更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件。

9.如权利要求8所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤600中，切削位置k处的加工变形通过MATLAB从有限元仿真的结果文件ODB中提取，并传递给MATLAB进行分析。

10.如权利要求1所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤800中，循环加载加载结束条件为第k个表面切削节点为最后一个切削时刻的节点。