CN108182325A - 一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，基于有限元仿真分析和切削力热耦合作用理论建模相结合的方法，模拟含初始残余应力的毛坯结构件在粗、精切削加工过程中内应力场的演变过程，可以更好地体现粗加工后结构件基体残余应力分布对精加工表面层切削残余应力分布的影响，以及切削全过程完成后结构件内应力释放对加工变形的影响，能够实现对最终加工残余应力和加工变形的预测。

Description

一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种预测分析薄壁结构件切削加工变形的方法。

背景技术

薄壁结构件目前已经广泛应用于航空航天、能源、汽车、电子等众多先进制造领域，可以显著提升装备性能。例如在飞机上大量应用由大型毛坯直接加工而成的整体结构件，可以显著提高机身强度和气动外形精度、减轻机身重量、减少零件和相应的装配工作量，提升飞机的机动性和可靠性。但是薄壁零件结构刚性较差，在加工过程中材料去除率大，加工过程中工件内应力变化剧烈，容易产生加工变形过大、无法满足加工精度要求的情况。

分析薄壁结构件加工变形的产生机理并对加工变形进行建模和预测是实现加工变形控制的基础，近年来逐渐成为机械制造领域关注的热点问题。但是薄壁结构件整体加工变形的产生是工件内应力场在外载荷作用及边界条件变化情况下发生复杂演变的结果，以现有技术手段还难以对工件内应力场进行完整测试。有限元仿真分析技术是分析场量变化的有效手段，并且近年来随着计算机技术的进步及切削原理研究的进步，切削物理仿真技术已经逐步发展起来，并已经应用于切削过程中的力载荷、温度场、应力场等的分析。但是切削物理仿真计算需要耗费大量的计算资源，且计算效率较低，要对完整零件进行加工过程的切削物理仿真是不现实的。现有研究中，学者们致力于使用一定的技术手段简化和等效零件加工过程，如较为常用的“单元生死”技术既可以很好地模拟加工中材料去除、毛坯初始应力释放的过程，但是这种简化方法难以体现切削力、热载荷在工件表面层引入的切削残余应力及其对薄壁结构件加工变形的影响。在现有技术条件下，相比物理仿真分析技术而言，理论解析计算可以实现更高的精度，但是基于解析方法很难对复杂三维零件的整体应力场和变形进行分析。

因此，要实现加工工艺优化和加工变形控制，需要可靠、高效的全切削加工过程模拟分析和加工变形预测技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，能够实现对最终加工残余应力和加工变形的预测。

本发明的具体实施方案如下：

一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，将有限元分析得到的粗加工后结构件基体应力分布作为精加工分析的初始应力，并通过理论建模分析求解精加工后结构件表层残余应力分布，然后加载到精加工有限元模型上模拟最终的加工变形。

进一步地，建立精加工有限元模型时，对距离加工表面设定深度范围内的网格进行细化。

进一步地，将粗加工有限元模型得到的基体应力分布映射到精加工有限元模型中，确定精加工有限元模型中各个节点应力状态，并作为理论建模分析的初始应力。

进一步地，采用线性拟合和插值的方法确定精加工有限元模型中各个节点应力状态。

进一步地，对于精加工有限元模型中各个细化网格节点，根据精加工采用的刀具参数、加工工艺参数及刀具和工件的材料参数，求解所述细化网格节点对应位置在精加工过程中承受的切削力载荷和切削温度，并以所述初始应力为理论建模计算的起点，求解精加工后各个细化网格节点的残余应力值，作为加工变形分析预应力值；对于各个非细化网格节点，保留所述初始应力值作为加工变形分析预应力值。

进一步地，在精加工有限元模型中加载加工变形分析预应力值，求解在无外界载荷作用时结构件内应力场的平衡状态及最终的加工变形。

进一步地，所述一定深度范围为100微米至1毫米，细化的网格沿表面法向的长度小于或等于20微米。

进一步地，对粗加工的结构件进行有限元分析时，逐步加载力载荷并按序去除单元，每一个分析步去除一个单元组，每次加载一组力载荷并完成一组单元的去除，分析此时的应力场量作为下一个分析步的初始应力场量。

进一步地，在对粗加工的结构件进行有限元分析前，利用测试或有限元仿真分析的方法获取毛坯结构件初始残余应力分布，并在粗加工有限元模型中作为初始应力加载。

有益效果：

1、本发明基于有限元仿真分析和切削力热耦合作用理论建模相结合的方法，模拟含初始残余应力的毛坯结构件在粗、精切削加工过程中内应力场的演变过程，可以更好地体现粗加工后结构件基体残余应力分布对精加工表面层切削残余应力分布的影响，以及切削全过程完成后结构件内应力释放对加工变形的影响，实现对最终加工残余应力和加工变形的预测，使仿真结果更为准确，为加工工艺优化和加工变形控制提供数据支持；基于有限元方法对精加工过程中工件表层残余应力场的分析，需要耗费大量的计算资源和时间，本方法采用理论建模解析计算的方法，可以达到很高的效率。

2、对结构件的粗加工过程进行有限元分析时，逐步加载力载荷并按序去除单元，将每一步得到的应力场量作为下一个分析步的初始应力场量，使用有限元技术中“单元生死”技术模拟粗加工中的大量材料去除，这种方式使得有限元分析结果更为高效。

3、本发明考虑了毛坯结构件的初始残余应力，使得有限元分析结果更为准确。

4、本发明建立精加工有限元模型时对网格长度的设置，可以显示出切削残余应力的分布梯度，便于更好地体现粗加工后结构件基体残余应力分布对精加工表面层切削残余应力分布的影响。

附图说明

图1是本发明提出的薄壁结构件加工变形分析方法流程图；

图2是本发明实施例中毛坯结构件在机床工作台上的固定方法示意图；

图3是本发明实施例中加工完成后的零件状态示意图；

图4为本发明实施例中粗加工有限元模型中的区域划分示意图；

图5为本发明实施例中粗加工有限元模型网格划分结果；

图6为本发明实施例中粗加工有限元模型单腔体、单层单元去除序列规划方法；

图7为本发明实施例中不同径向切削宽度、不同进给方向时，每一步单元去除时加载切削力载荷的节点位置及切削力方向示意；

图8为本发明实施例中精加工有限元模型网格划分结果；

图9为本发明实施例中粗、精加工模型间数据传递流程图；

图10为本发明实施例中加工变形仿真结果云图。

其中，101-毛坯结构件，102-机床工作台，103-压板固定装置，104-切削加工后的结构件。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

薄壁零件的整体加工变形的产生机理在于含有初始残余应力的工件毛坯，在装夹力载荷、切削力载荷、切削热载荷以及大量材料去除引起的约束条件变化等因素的综合影响下，其内应力场逐步发生演变，并在加工完成、卸除装夹后，其内应力场进一步演变并引起零件变形，最终达到内应力自平衡状态。要对薄壁结构件加工变形进行预测分析，需要追踪该内应力场在外界作用下的演变过程，并通过高效的运算手段进行数据处理，从而得到最终的加工变形。

本发明提供了一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，基于有限元仿真分析和切削力热耦合作用理论建模相结合的方法，模拟含初始残余应力的毛坯结构件在粗、精切削加工过程中内应力场的演变过程，实现对其最终加工残余应力和加工变形的预测。

本实施例针对一个典型的四框薄壁件进行铣削加工变形预测，使用的毛坯料是7050-T7451铝合金预拉伸板，结合本发明的预测分析方法，如图1所示，步骤如下：

A)创建粗加工有限元模型。具体方法为：根据毛坯结构件101形状和尺寸，在有限元软件中创建1:1模型，然后根据实际薄壁零件的形状、尺寸及其在毛坯结构件101零件的位置，对粗加工有限元分析模型进行分区切割，在分区边界撒种并生成网格，创建网格零件；在有限元软件中输入毛坯结构件101材料属性并赋予网格零件，完成粗加工有限元模型的创建。

在划分区域时，需要考虑到粗加工完成后剩余材料的状态，如图3所示的切削加工后的结构件104，在对粗加工有限元模型进行分区和网格划分时，根据如图4所示的分区方法对零件进行分区，以确保粗加工有限元模型中单元的连续性，同时保证在粗加工模拟过程中只去除粗加工实际去除材料对应的单元，本实施例中粗加工有限元模型网格划分结果如图5所示，粗加工完成后结构件壁厚5mm，沿壁厚方向单元尺寸为1mm，粗加工切削区域单元长度、宽度均选取径向切削宽度10mm，腹板位置单元Z向尺寸为1mm，加工区域单元沿Z向的尺寸等于轴向切深3mm。

B)获取毛坯结构件101初始残余应力分布并在粗加工有限元模型中加载。具体方法为：本实施例中工件采用7050-T7451铝合金预拉伸板材加工，毛坯结构件101残余应力可以通过裂纹柔度法进行测试，测试试件与毛坯结构件101应使用同规格、同批次的材料制成。通过测试可以得到长度(X向)、宽度(Y向)毛坯结构件101残余应力沿厚度(Z向)的分布规律，采用多项式拟合该残余应力分布规律，并根据粗加工有限元模型中各个节点的坐标求解其初始应力状态，根据各个单元的节点连接关系，对各个单元所包含的各个节点的各应力分量值取平均作为单元的初始应力状态，并将其作为初始应力加载到粗加工有限元模型中，建立静态分析步进行内应力平衡计算，该计算后的应力场即后续粗、精加工模拟的初始应力场。对于采用铸造、锻压等复杂成形工艺制程的毛坯结构件101，可以采用中子衍射法，或者有限元仿真分析的方法测试或求解切削加工前的毛坯结构件101应力场。

C)装夹载荷和约束施加。具体方法为：在粗加工有限元模型中，根据实际加工中施加的装夹力和约束设置粗加工有限元模型边界条件。本实施例中采用四块压板将工件固定在机床工作台102上，为保证加工安全，在装夹位置设置了压板槽，通过压板固定装置103固定，如图2所示，在粗加工有限元模型中根据压板槽尺寸去除部分单元，并在压板作用位置的各个节点加载装夹力；约束模型底面所有节点的位移。

D)确定单元去除序列、力载荷加载序列(包括加载节点和方向)。具体方法为：本实施例中的零件为四框薄壁件，粗加工采用逐框加工、先加工内框再加工外壁的策略，每一层加工从中部下刀，然后以内环方式加工，单个方形框单层加工模拟中单元去除序列规划方法如图6所示。本实施例选用的有限元分析软件为ABAQUS，可以基于Python语言对单元序列进行规划，确定每一个分析步中需要去除的单元组。针对不同的去除单元形式及模拟的走刀方向，每个单元组在分析中三向切削力载荷加载点和加载方向如图7所示，切削力载荷的大小通过切削试验确定，切削力载荷的方向用单位向量表示。通过Python语言编程确定粗加工中所有的单元组序列和切削力加载序列。

E)粗加工仿真分析。具体方法为：步骤D)中完成的单元去除序列和力载荷加载序列规划，在步骤B)中完成的加载毛坯结构件101初始应力的有限元模型基础上，进行力载荷加载和单元去除分析，每一个分析步去除一个单元组，每次加载一组力载荷并完成一组单元的去除，分析此时的应力场量作为下一个分析步的初始应力场量，依次进行，直到粗加工模拟完成。将粗加工后剩余节点的信息导出，包括编号、坐标、应力张量的各个分量，得到粗加工后结构件的基体应力分布。

F)精加工有限元模型建立及应力场量映射。具体方法为：根据结构件的最终成型状态建立精加工有限元模型并划分网格，在划分网格时，加工表面划分的网格沿表面法向的长度小于或等于20微米，以便体现切削残余应力的分布梯度，本实施例主要针对结构件腹板上下表面进行了网格细化，对表面下0.25毫米范围内的网格，设定其沿表面法向的网格尺寸为10微米，完成的精加工有限元模型如图8所示。精加工有限元模型建立完成后，导出所有单元和节点的信息，包括单元编号、单元节点连接信息、节点编号、节点坐标，然后将粗加工后结构件的基体应力分布数据映射到精加工有限元模型中，本实施例采用的方法为基于Matlab软件读取粗加工模拟结果，对其节点信息和应力分布进行线性插值运算，然后根据精加工有限元模型中各个节点的坐标确定其相应的应力状态。该应力场量映射操作的数据流程图如图9所示。

G)精加工切削残余应力求解。具体方法为：步骤E)中获取的粗加工后结构件的基体应力分布即为精加工切削加工的“初始应力”，基于精加工切削力热耦合作用理论建模分析，根据精加工使用的刀具几何和材料参数(包括前角、切削刃钝圆半径、热导率、密度和比热容)、切削参数(包括对应于切削载荷二维理论分析模型的切削层厚度、切削速度等)、刀具与工件的接触参数(包括摩擦系数)以及工件材料参数(包括密度、弹性模量、剪切模量、泊松比、屈服强度、热膨胀系数、比热容、热导率、热扩散率以及材料在动态加载情况下的本构方程)，求解切削力载荷和切削温度分布，得到结构件表层应力分布。

针对精加工有限元模型中细化网格部分的节点(本实施例中为腹板上下表面内0.25毫米范围的节点)，根据各个节点的坐标，确定该节点在加工过程中承受的力载荷和温度变化量，然后以各个节点的初始应力即粗加工后结构件的基体应力状态为计算起点，采用增量运算方式，进行热弹塑性加载和卸载运算，求解得到精加工切削完成、外界力热载荷卸除后工件的残余应力，并以该残余应力计算值替换步骤E)中得到的基体应力分布相应节点的应力值。

H)加工应力加载和加工变形模拟。具体方法为：根据精加工有限元模型中各个节点的残余应力，以及各个单元的节点连接状态，确定各个单元的应力状态，该应力状态即表征经过粗精加工后、存在装夹约束时工件内部的应力分布。将该单元应力状态作为初始应力加载到精加工有限元模型中，设置静力分析步，让应力自由释放，获得最终的加工变形，本实施例中零件底面沿Z向的加工变形如图10所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，将有限元分析得到的粗加工后结构件基体应力分布作为精加工分析的初始应力，并通过理论建模分析求解精加工后结构件表层残余应力分布，然后加载到精加工有限元模型上模拟最终的加工变形。

2.如权利要求1所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，建立精加工有限元模型时，对距离加工表面设定深度范围内的网格进行细化。

3.如权利要求2所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，将粗加工有限元模型得到的基体应力分布映射到精加工有限元模型中，确定精加工有限元模型中各个节点应力状态，并作为理论建模分析的初始应力。

4.如权利要求3所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，采用线性拟合和插值的方法确定精加工有限元模型中各个节点应力状态。

5.如权利要求2所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，对于精加工有限元模型中各个细化网格节点，根据精加工采用的刀具参数、加工工艺参数及刀具和工件的材料参数，求解所述细化网格节点对应位置在精加工过程中承受的切削力载荷和切削温度，并以所述初始应力为理论建模计算的起点，求解精加工后各个细化网格节点的残余应力值，作为加工变形分析预应力值；对于各个非细化网格节点，保留所述初始应力值作为加工变形分析预应力值。

6.如权利要求5所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，在精加工有限元模型中加载加工变形分析预应力值，求解在无外界载荷作用时结构件内应力场的平衡状态及最终的加工变形。

7.如权利要求2所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，所述一定深度范围为100微米至1毫米，细化的网格沿表面法向的长度小于或等于20微米。

8.如权利要求1所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，对粗加工的结构件进行有限元分析时，逐步加载力载荷并按序去除单元，每一个分析步去除一个单元组，每次加载一组力载荷并完成一组单元的去除，分析此时的应力场量作为下一个分析步的初始应力场量。

9.如权利要求8所述的薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，其特征在于，在对粗加工的结构件进行有限元分析前，利用测试或有限元仿真分析的方法获取毛坯结构件初始残余应力分布，并在粗加工有限元模型中作为初始应力加载。