CN108038333B - 一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，涉及加工表面误差的预测领域，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，建立主循环分析步，获得柔性主循环切削力集合的节点位置和初始值，初始化柔性主循环有限元分析模型文件，确定子循环切削位置处的瞬时切削力，更新子循环有限元分析模型文件，有限元分析，柔性加工误差计算，判断柔性误差计算的子循环是否收敛，判断切削过程是否结束，表面加工误差点云处理，获得表面加工误差云图。该方法可以实现对大型盘铣刀加工后的全表面柔性加工误差形貌的仿真，更加全面的研究大型盘铣刀平面铣削加工误差形成机理，为加工过程的设计和控制策略开发提供了先决条件。

Description

一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法

技术领域

本发明涉及加工表面误差的预测领域，尤其涉及一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法。

背景技术

大型盘铣刀平面铣削方式被广泛地应用于发动机缸体缸盖的实际生产中，通过该方式加工后的发动机缸体缸盖表面质量不仅是评价加工过程的重要指标，同时与发动机缸体缸盖的密封性密切相关。平面铣削是一个材料去除的过程，切削过程中，由于切削力的存在，工件会发生变形，导致切削位置处实际切削深度偏离名义切削位置、材料去除率发生变化，形成加工误差，导致加工后的表面质量呈现波动，影响加工表面的服役性能。

平面柔性加工误差通常有两种：一种是加工过程中工件在铣削力作用下发生变形，导致实际切削位置偏离理论切削位置，用切削点偏离名义切削位置的偏移量表示，反映的是切削瞬时切削位置处的加工误差，通常用于加工误差的补偿控制；另一种是加工过程中，工件在铣削力作用下发生变形，导致实际切削量偏离名义切削量，从而形成偏离名义尺寸的加工残留误差，通常由加工变形量的累积形成，表现为加工后表面高度呈现非均匀的分布，通常用平面高度点云或者表面形貌来描述，反映的是全切削时间域内的表面误差集合。

不同于直径较小的立铣刀点-线加工方式，大型盘铣刀平面铣削的范围通常比较大，不适用于通过瞬时切削点的加工补偿来控制加工误差，而需要建立加工结束后整个加工表面的误差。特别是对于薄壁结构、多孔洞复杂结构刚度较低的工件，大型盘铣刀加工时由于多齿接触特性，在铣削力作用下形成较大的工件柔性变形，影响最终的表面加工误差的波动、分布不均。

经检索发现，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 milling approach”(《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；且采用柔度矩阵提取的方式，仅分析弹性变形下的加工误差，无法考虑多齿作用下的工件柔性加工误差，不适用于多齿盘铣刀的表面柔性加工变形仿真预测。中国专利“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”(公开号为CN102592035A)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、静态运动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，特别是柔性加工误差的仿真。

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，主要采用的方法是单点外载荷施加，无法考虑瞬时切削时多点同时作用下的柔性加工误差，无法实现时间域内的大型盘铣刀多齿面铣削加工过程中柔性加工误差形貌的仿真预测。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可以计算多齿接触情况下的加工变形，解决柔性工件在全局变形影响下的加工误差的预测方法。

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针对大型盘铣刀平面铣削的加工表面误差的预测，提出一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，获得整个加工表面的加工误差点云，生成表面加工误差云图，以更加全面的研究大型盘铣刀平面铣削加工误差形成机理，为加工过程的设计和控制策略开发提供了先决条件。

为实现上述目的，本发明提供了一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，包括以下步骤：

步骤100，建立单步分析标准有限元模型，并提取标准有限元模型分析文件，建立切削力物理模型及切削刃轨迹运动模型，进入步骤200；

步骤200，建立主循环分析步，确定采样i时刻柔性主循环切削力集合的节点位置和初始值，进入步骤300；

步骤300，初始化i时刻柔性主循环有限元分析模型，将i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，获得第i次主循环步的有限元分析文件，进入步骤400；

步骤400，柔性子循环切削力加载，建立i时刻第j次子循环工件各切削位置处的节点位置映射，并计算各切削节点上的初始切削力F^j-1，更新i时刻第j次子循环有限元分析模型文件，进入步骤500；

步骤500，有限元分析，导入i时刻第j次子循环分析步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算各切削位置处的加工变形量，获得切削位置i处的加工变形，进入步骤600；

步骤600，柔性加工误差计算，提取步骤500有限元分析计算得到的加工变形量，获得切削位置i处的加工残留误差；根据新的加工去除量，计算新的切削力F^j，进入步骤700；

步骤700，子循环结束调节，判断柔性误差计算的子循环是否收敛，当子循环计算的铣削力与子循环初始铣削力的变动量小于等于ε时，子循环收敛，进入步骤800；当子循环计算的铣削力与子循环初始铣削力的变动量大于ε时，子循环未收敛，确定新的铣削力，跳转至步骤400；

步骤800，主循环结束条件，判断切削过程是否结束，当分析步次数达到总切削时间域内最后节点时，主循环分析过程结束；否则，跳转至步骤200；

步骤900，表面加工误差点云处理，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。

进一步地，步骤100中，初始化有限元分析模型还包括将CAD模型导入有限元软件划分网格。

进一步地，步骤100中，采用ABAQUS有限元软件进行有限元分析，选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，将提取的有限元网格节点坐标集合导入MATLAB，结合工件几何特征提取待切削表面的节点集，将待切削表面的网格节点按切削先后顺序排序，采样i时刻的切削位置对应第i个表面切削节点，作为主循环切削分析步切削节点。

进一步地，步骤300中，定义i时刻的切削节点集，并建立约束条件、赋予材料属性。

进一步地，步骤300中，将步骤200中获得的i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i次主循环步的有限元分析文件。

进一步地，步骤400中，将i时刻第j次子循环工件各切削位置处的节点位置映射至切削轨迹，参与切削的节点包括切削分析步切削节点，及其同一时刻参与切削的配对切削节点。

进一步地，步骤400中，所述切削步分析节点的切削力采用节点集中力，配对的切削节点确定，依据配对切削齿的实际位置，通过搜索获得附近4个包围的节点，根据距离将配对切削力均匀的施加到4个配对节点上。

进一步地，步骤400中，所述初始子循环的初始切削力F⁰由名义切削深度和切削位置确定。

进一步地，步骤400中，将获得的i时刻第j次子循环的铣削力对应至第i次主循环步的切削位置，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i时刻第j次子循环分析步的有限元分析文件。

进一步的，步骤500中，通过MATLAB将步骤400中获得的第i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500中，切削节点处的加工变形量通过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700中，子循环中收敛因子ε为0.001-0.01；新的铣削力F^j由Newton-Raphson收敛算法确定。

本发明的有益效果如下：

1、本发明针对大型盘铣刀平面铣削的加工表面误差的预测，提出一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，通过MATLAB与ABAQUS的数据传递联合分析，对整个切削时间域内的切削加工柔性误差的采样计算，获得整个加工表面的加工误差点云，生成表面加工误差云图。可以更加全面的研究大型盘铣刀平面铣削加工误差形成机理，为加工过程的设计和控制策略开发提供了先决条件，具有十分重要的工程实用价值。

2、本发明在通过主循环计算各切削时刻的加工误差的基础上，采用采用Newton-Raphson收敛算法，获得柔性加工误差，可以适用于薄壁多孔的复杂结构平面铣削加工误差的预测；同时，采用有限元节点数据导入MATLAB进行分析，同切削力模型和切削轨迹理论建立映射关系，可以计算多齿接触情况下的加工变形，解决柔性工件在全局变形影响下的加工误差，满足大型盘铣刀复杂工件的加工误差仿真。

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为本发明所述的一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法的流程图；

图2为本发明所述的五齿盘铣刀切削示意图；

图3为本发明所述的典型主循环分析步的特征件有限元模型；

图4为本发明所述的仿真获得的表面加工误差点云三维图像；

图5为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1-5所示，一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，包括以下步骤：

步骤100，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28740个网格单元、32945个节点，其中待测上表面共有节点2575个。如图2所示，盘铣刀为大直径五齿盘铣刀，切削时存在一个齿或两个齿同时参与切削的时刻，通过切削轨迹的映射可以获得任意时刻切削齿的位置和齿数。进入步骤200。

步骤200，建立主循环分析步，导出步骤100中建立的有限元模型文件，提取有限元模型网格节点坐标，并将提取的有限元网格节点坐标集合导入MATLAB；将待切削表面的网格节点按切削先后顺序排序，共2575个切削节点，采样i时刻的切削位置对应第i个表面切削节点，从而确定切削分析步切削节点，进入步骤300。

步骤300，主循环分析步有限元模型初始化，初始化i时刻柔性主循环有限元分析模型，定义i时刻的切削节点集，并建立约束条件、赋予材料属性，将i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，获得第i次主循环步的有限元分析文件，进入步骤400。

步骤400，柔性子循环切削力加载，如图3所示，建立i时刻第j次子循环工件各切削位置处的节点位置映射至切削轨迹上，并计算各切削节点上的初始切削力F^j-1，当步骤200确定的i时刻切削节点位于两齿切削区域时，需要计算配对的切削节点位置，通过几何计算获得第二齿切削位置，并通过MATLAB搜索，获得切削位置最近的四个节点，按照距离等效原则，将配对切削力均匀的分配到四个节点上；初始子循环的初始切削力F⁰由名义切削深度和切削位置确定。将获得的i时刻第j次子循环的铣削力对应至第i次主循环步的切削位置，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i时刻第j次子循环分析步的有限元分析文件，进入步骤500。

步骤500，进行i时刻第j次子循环分析步的有限元分析，将步骤400中获得的i时刻第j次子循环分析步的有限元分析文件导入至有限元计算软件ABAQUS中进行分析，计算各切削位置处的加工变形量，包括切削节点和4个配对节点处的加工变形。所有切削节点处的加工变形通过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，进入步骤600。

步骤600，柔性加工误差计算，提取步骤500有限元分析计算得到的加工变形量，获得切削位置i处的加工残留误差；根据新的加工去除量，计算新的切削力F^j，进入步骤700。

步骤700，子循环结束调节，通过公式

判断柔性误差计算的子循环是否收敛，其中，F^j-1是子循环初始铣削力，F^j是子循环计算的铣削力，当子循环计算的铣削力与子循环初始铣削力的变动量小于0.001时，子循环得到收敛，结束当前子循环，进入步骤800，获得的加工误差为i时刻主分析步的柔性加工误差；当子循环未收敛时，由Newton-Raphson收敛算法确定新的铣削力，跳转至步骤400继续下一个柔性子循环的分析。

步骤800，主循环结束条件，判断切削过程是否结束，当分析步次数达到总切削时间域内最后节点时，主循环分析过程结束；否则，跳转至步骤200。

步骤900，如图4、图5所示，表面加工误差点云处理，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 (7)

1.一种大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，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并提取分析文件，建立切削力物理模型及切削刃轨迹运动模型，进入步骤200；

步骤200，建立主循环分析步，确定采样i时刻柔性主循环切削力集合的节点位置和初始值，进入步骤300；

步骤300，初始化i时刻柔性主循环有限元分析模型，将i时刻的切削力及相应的切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，获得第i次主循环步的有限元分析文件，进入步骤400；

步骤400，柔性子循环切削力加载，建立i时刻第j次子循环工件各切削位置处的节点位置映射，并计算各切削节点上的初始切削力F^j-1，更新i时刻第j次子循环有限元分析模型文件，进入步骤500；

步骤500，有限元分析，导入i时刻第j次子循环分析步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算各切削位置处的加工变形量，获得切削位置i处的加工变形，进入步骤600；

步骤600，柔性加工误差计算，提取步骤500有限元分析计算得到的加工变形量，获得切削位置i处的加工残留误差；根据新的加工去除量，计算新的切削力F^j，进入步骤700；

步骤700，子循环结束调节，判断柔性误差计算的子循环是否收敛，当子循环计算的切削力与子循环初始切削力的变动量小于等于ε时，子循环收敛，进入步骤800；当子循环计算的切削力与子循环初始切削力的变动量大于ε时，子循环未收敛，确定新的切削力，跳转至步骤400；

步骤800，主循环结束条件，判断切削过程是否结束，当分析步次数达到总切削时间域内最后节点时，主循环分析过程结束；否则，跳转至步骤200；

步骤900，表面加工误差点云处理，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。

2.如权利要求1所述的大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，其特征在于，步骤100中，采用ABAQUS有限元软件进行有限元分析，选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。

3.如权利要求2所述的大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，其特征在于，步骤200中，将提取的有限元网格节点坐标集合导入MATLAB，结合工件几何特征提取待切削表面的节点集，将待切削表面的网格节点按切削先后顺序排序，采样i时刻的切削位置对应第i个表面切削节点，作为主循环切削分析步切削节点。

4.如权利要求1所述的大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，其特征在于，步骤300中，定义i时刻的切削节点集，并建立约束条件、赋予材料属性，将步骤200中获得的i时刻的切削力及相应的切削位置通过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i次主循环步的有限元分析文件。

5.如权利要求1所述的大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，其特征在于，步骤400中，将i时刻第j次子循环工件各切削位置处的节点位置映射至切削轨迹，参与切削的节点包括切削分析步切削节点，及其同一时刻参与切削的配对切削节点。

6.如权利要求1所述的大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，其特征在于，步骤500中，切削节点处的加工变形量从有限元仿真的结果文件ODB中提取，并传递给MATLAB进行分析。

7.如权利要求1所述的大型盘铣刀平面铣削的柔性加工表面误差的预测方法，其特征在于，步骤700中，子循环中收敛因子ε为0.001-0.01；新的切削力F^j由Newton-Raphson收敛算法确定。

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