CN109213082B - 复杂曲面零件切削加工变形预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，直接对零件数模进行有限元网格划分，按数控加工程序中的刀位点创建若干仿真预测模型，每个模型只设置针对当前刀位点的单一分析步，加载到当前仿真模型中，作为初始条件；零件在某一刀位点产生的加工变形，重新计算当前刀位点下的切削载荷，利用有限元计算的重启动技术，将前一刀位点对应的有限元计算结果加载到当前有限元模型中作为初始条件进行，继续进行仿真计算。本发明解决了现有方法有限元网格数量多和多分析步模型仿真计算机时消耗大、前后顺序关联的仿真结果数据传输和加载、复杂曲面刀位点与网格节点匹配、切削载荷随计算结果动态实时调整等问题。

Description

复杂曲面零件切削加工变形预测方法
技术领域
本发明涉及机械精加工技术领域，特别是涉及一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法。
背景技术
以叶片为代表的复杂曲面零件在切削加工中的加工变形情况较为复杂，造成其加工精度难以控制，因此需要采用预先仿真模拟的方法，对其加工变形进行预测，进而优化工艺方案。目前的零件仿真预测主要采用有限元方法，在数控加工程序的刀位点对应的有限元网格节点上施加切削加工，通过静力分析完成零件加工变形计算。
现有技术存在的不足主要体现在：
1）零件数模需要进行结构简化处理，并针对简化的数模编制数控加工程序，因此难以反映真实的加工情况；
2）现有技术将全加工轨迹下的零件加工变形仿真创建为单一的模型，模型按照数控加工程序中的刀位点数量设置若干个分析步，对计算机硬件性能要求较高，且机时消耗巨大；
3）复杂曲面一般采用带圆角或球头铣刀加工，数控加工程序中的刀位点并非曲面上的点，且刀轴矢量连续变化，现有方法难以按照真实的数控加工程序匹配有限元网格，也无法调整切削载荷的实际加载方向，因此现有方法难以建立复杂曲面零件的加工变形预测模型；
4）现有切削加工变形仿真模型按刀位点分为若干个分析步，各分析步中模型承受的切削载荷需要在预测前固定，无法模拟前分析步产生的加工变形对后一分析步实际切削载荷的影响，即无法实现切削载荷随仿真过程的动态实时调整，造成切削加工仿真预测结果精度不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，包括以下步骤，
1）按照实际采用的切削宽度或CAM软件中的步距作为网格尺寸划分复杂曲面零件有限元网格；
2）建立切削载荷模型；
3）对复杂曲面零件加工区域规划数控加工程序；
4）提取切削刀具的外形几何轮廓，提取复杂曲面零件外形几何轮廓，提取加工轨迹中的刀位点坐标和刀轴矢量，提取复杂曲面零件有限元网格节点的坐标；
5）按照先后顺序，遍历数控加工程序中的刀位点坐标和刀轴矢量，计算当前刀位点的切削刀具几何轮廓与加工区域几何轮廓的切触点；将交点与网格节点按照距离最近的原则匹配；如果网格节点未被匹配过，则记录刀位点和网格节点的对应关系；如果网格节点已被匹配过，则放弃当前刀位点；
6）按照先后顺序，取刀位点和网格节点的对应关系序列，创建一个切削加工变形预测模型，内含一个静力隐式热力耦合分析步；
7）如果步骤6）的切削加工变形预测模型由第一个刀位点创建，对模型全部网格节点施加环境温度的初始温度场，进行步骤9）；否则进行步骤8），
8）选取前一刀位点对应的预测结果，采用重启动技术将网格节点应力、温度和位移加载到当前刀位点创建的切削加工变形预测模型中；
9）将步骤6）、步骤7）和步骤8）创建的切削加工变形预测模型提交有限元计算；
10）判断是否遍历刀位点和网格节点的对应关系序列，如果是，则进行步骤11）；否则转至步骤6）；
11）按照先后顺序，遍历刀位点和网格节点的对应关系序列，提取当前预测结果中的网格节点的未变形坐标和位移量，根据刀位点和网格节点的对应关系，即可获得刀位点造成的变形量。
所述的步骤6）中切削加工变形预测模型的模型参数设置如下：
A）切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上；
B）创建切削载荷施加的局部坐标系，Z轴为当前刀位点的刀轴矢量，取当前刀位点与下一刀位点的单位矢量，与Z轴叉乘得到Y轴，Y轴再与Z轴叉乘，得到进给方向的X轴；
C）边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加；
D）分析步时间为当前刀位点到下一刀位点测地距离与实际进给速度的商；
E）根据步骤2）中的切削载荷模型得到切削力载荷和切削温度载荷，根据创建的局部坐标系加载到网格节点上；
F）分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
所述的步骤8）具体为：提取前一刀位点对应的预测结果中当前刀位点对应网格节点的位移量，投影到当前刀位点局部坐标系Z轴，投影结果补偿到切削深度中，修改切削参数，重新计算切削载荷，更新切削加工变形预测模型中的载荷大小。
步骤5）中利用刀具和加工曲面的几何特征的交点计算算法找到刀具与加工表面的切触点。
所述的复杂曲面零件为空心叶片。
将空心叶片数模划分为空心区、前缘、后缘和叶根四个区域，将空心区的网格尺寸放大以降低切削加工变形预测模型的有限元网格数量。
步骤2）的具体为：选取切削刀具和复杂曲面零件用材料，进行关于切削速度、每齿进给量、切削宽度和切削深度的四因素四水平切削力和切削温度试验，利用最小二乘法获得切削参数对切削力和切削温度的关系，建立切削载荷模型。
所述的切削刀具为带圆角或球头铣刀。
所述的步骤1）中将复杂曲面零件进行区域划分为低精度加工区和高精度加工区，低精度加工区的网格尺寸大于实际采用的切削宽度或CAM软件中的步距。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先对复杂曲面零件划分有限元网格。选择切削刀具，进行切削力和切削温度试验，建立切削参数对切削载荷的关系；对加工型面创建切削加工轨迹。提取切削刀具的几何轮廓，提取加工型面几何轮廓，提取加工轨迹中的刀位点坐标和刀轴矢量，提取复杂零件有限元网格节点的坐标。按照先后顺序，按照距离最近的原则，计算当前刀位点的切削刀具几何轮廓与加工区域几何轮廓的交点。将交点与网格节点匹配。按照先后顺序，取刀位点和网格节点的对应关系序列，创建包含静力隐式热力耦合分析步切削加工变形预测模型。模型参数按上述方法设置。提取前一刀位点对应的预测结果中当前刀位点对应网格节点的位移量，投影到当前刀位点局部坐标系Z轴，投影结果补偿到切削深度中，修改切削参数，重新计算切削载荷，更新切削加工变形预测模型中的载荷大小。遍历刀位点，计算各个刀位点的变形量。
本发明解决了现有方法有限元网格数量多和多分析步模型仿真计算机时消耗大、前后顺序关联的仿真结果数据传输和加载、复杂曲面刀位点与网格节点匹配、切削载荷随计算结果动态实时调整等问题，可以在不进行复杂曲面零件模型简化的条件下，使用实际切削加工轨迹进行高效的和精确的切削加工变形预测。
附图说明
图1所示为空心叶片经区域抛分后的网格示意图；
图2所示为刀具实际接触点与网格节点示意图；
图3所示为局部坐标系的调整示意图；
图4所示为切削深度随加工变形的变化示意图；
图5所示为整体流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图所示，本发明的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，包括以下步骤，
1）按照实际采用的切削宽度或CAM软件中的步距作为网格尺寸划分复杂曲面零件有限元网格；
2）选取切削刀具和复杂曲面零件用材料，进行关于切削速度、每齿进给量、切削宽度和切削深度的四因素四水平切削力和切削温度试验，利用最小二乘法获得切削参数对切削力和切削温度的关系，建立切削载荷模型；
3）对复杂曲面零件加工区域规划数控加工程序；
4）提取切削刀具的外形几何轮廓，提取复杂曲面零件外形几何轮廓，提取加工轨迹中的刀位点坐标和刀轴矢量，提取复杂曲面零件有限元网格节点的坐标；
5）按照先后顺序，遍历数控加工程序中的刀位点坐标和刀轴矢量，计算当前刀位点的切削刀具几何轮廓与加工区域几何轮廓的切触点；将交点与网格节点按照距离最近的原则匹配；如果网格节点未被匹配过，则记录刀位点和网格节点的对应关系；如果网格节点已被匹配过，则放弃当前刀位点；
6）按照先后顺序，取刀位点和网格节点的对应关系序列，创建一个切削加工变形预测模型，内含一个静力隐式热力耦合分析步；
7）如果步骤6）的切削加工变形预测模型由第一个刀位点创建，对模型全部网格节点施加环境温度的初始温度场，进行步骤7）；否则进行下一步，
8）选取前一刀位点对应的预测结果，采用重启动技术将网格节点应力、温度和位移加载到当前刀位点创建的切削加工变形预测模型中；具体为：提取前一刀位点对应的预测结果中当前刀位点对应网格节点的位移量，投影到当前刀位点局部坐标系Z轴，投影结果补偿到切削深度中，修改切削参数，重新计算切削载荷，更新切削加工变形预测模型中的载荷大小。
9）将步骤6）、步骤7）和步骤8）创建的切削加工变形预测模型提交有限元计算；
10）判断是否遍历刀位点和网格节点的对应关系序列，如果是，则进行步骤11）；否则转至步骤6）；
11）按照先后顺序，遍历刀位点和网格节点的对应关系序列，提取当前预测结果中的网格节点的未变形坐标和位移量，根据刀位点和网格节点的对应关系，即可获得刀位点造成的变形量。
本发明解决了现有方法有限元网格数量多和多分析步模型仿真计算机时消耗大、前后顺序关联的仿真结果数据传输和加载、复杂曲面刀位点与网格节点匹配、切削载荷随计算结果动态实时调整等问题，可以在不进行复杂曲面零件模型简化的条件下，使用实际切削加工轨迹进行高效的和精确的切削加工变形预测。
具体地，所述的步骤6）中切削加工变形预测模型的模型参数设置如下：
A）切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上；
B）创建切削载荷施加的局部坐标系，Z轴为当前刀位点的刀轴矢量，取当前刀位点与下一刀位点的单位矢量，与Z轴叉乘得到Y轴，Y轴再与Z轴叉乘，得到进给方向的X轴；
C）边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加；
D）分析步时间为当前刀位点到下一刀位点测地距离与实际进给速度的商；
E）根据步骤2）中的切削载荷模型得到切削力载荷和切削温度载荷，根据创建的局部坐标系加载到网格节点上；
F）分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
采用网格节点的坐标建立，计算速度快而且具有很高的下一刀位点的指向性，提高了各刀位点的联系，同时引入重启机制，并将预测结果进行输出，便于实现整个模型间的影响模拟。
其中，步骤5）中利用刀具和加工曲面的几何特征的交点计算算法找到刀具与加工表面的切触点。复杂曲面零件数控加工程序文件中保存的是刀具中心点和刀轴矢量信息，并非是刀具与加工表面的切触点，导致有限元网格节点难以与刀位点精确匹配，本发明按照实际切触点匹配网格节点，有效克服了上述问题。
所述的步骤1）中将复杂曲面零件进行区域划分为低精度加工区和高精度加工区，低精度加工区的网格尺寸大于实际采用的切削宽度或CAM软件中的步距。以所述的复杂曲面零件为空心叶片为例，将空心叶片数模划分为空心区1、前缘2、后缘3和叶根4四个区域，空新区为低精度要求加工区，则将空心区的网格尺寸放大以降低切削加工变形预测模型的有限元网格数量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，包括以下步骤，
1）按照实际采用的切削宽度或CAM软件中的步距作为网格尺寸划分复杂曲面零件有限元网格；
2）建立切削载荷模型；
3）对复杂曲面零件加工区域规划数控加工程序；
4）提取切削刀具的外形几何轮廓，提取复杂曲面零件外形几何轮廓，提取加工轨迹中的刀位点坐标和刀轴矢量，提取复杂曲面零件有限元网格节点的坐标；
5）按照先后顺序，遍历数控加工程序中的刀位点坐标和刀轴矢量，计算当前刀位点的切削刀具几何轮廓与加工区域几何轮廓的切触点；将交点与网格节点按照距离最近的原则匹配；如果网格节点未被匹配过，则记录刀位点和网格节点的对应关系；如果网格节点已被匹配过，则放弃当前刀位点；
6）按照先后顺序，取刀位点和网格节点的对应关系序列，创建一个切削加工变形预测模型，内含一个静力隐式热力耦合分析步；
7）如果步骤6）的切削加工变形预测模型由第一个刀位点创建，对模型全部网格节点施加环境温度的初始温度场，进行步骤9）；否则进行步骤8），
8）选取前一刀位点对应的预测结果，采用重启动技术将网格节点应力、温度和位移加载到当前刀位点创建的切削加工变形预测模型中；
9）将步骤6）、步骤7）和步骤8）创建的切削加工变形预测模型提交有限元计算；
10）判断是否遍历刀位点和网格节点的对应关系序列，如果是，则进行步骤11）；否则转至步骤6）；
11）按照先后顺序，遍历刀位点和网格节点的对应关系序列，提取当前预测结果中的网格节点的未变形坐标和位移量，根据刀位点和网格节点的对应关系，即可获得刀位点造成的变形量。
2.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，所述的步骤6）中切削加工变形预测模型的模型参数设置如下：
A）切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上；
B）创建切削载荷施加的局部坐标系，Z轴为当前刀位点的刀轴矢量，取当前刀位点与下一刀位点的单位矢量，与Z轴叉乘得到Y轴，Y轴再与Z轴叉乘，得到进给方向的X轴；
C）边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加；
D）分析步时间为当前刀位点到下一刀位点测地距离与实际进给速度的商；
E）根据步骤2）中的切削载荷模型得到切削力载荷和切削温度载荷，根据创建的局部坐标系加载到网格节点上；
F）分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
3.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，所述的步骤8）具体为：提取前一刀位点对应的预测结果中当前刀位点对应网格节点的位移量，投影到当前刀位点局部坐标系Z轴，投影结果补偿到切削深度中，修改切削参数，重新计算切削载荷，更新切削加工变形预测模型中的载荷大小。
4.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，步骤5）中利用刀具和加工曲面的几何特征的交点计算算法找到刀具与加工表面的切触点。
5.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，所述的复杂曲面零件为空心叶片。
6.如权利要求5所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，将空心叶片数模划分为空心区、前缘、后缘和叶根四个区域，将空心区的网格尺寸放大以降低切削加工变形预测模型的有限元网格数量。
7.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，所述的切削刀具为带圆角或球头铣刀。
8.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，所述的步骤2）具体为：选取切削刀具和复杂曲面零件用材料，进行关于切削速度、每齿进给量、切削宽度和切削深度的四因素四水平切削力和切削温度试验，利用最小二乘法获得切削参数对切削力和切削温度的关系，建立切削载荷模型。
9.如权利要求1所述的复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于，所述的步骤1）中将复杂曲面零件进行区域划分为低精度加工区和高精度加工区，低精度加工区的网格尺寸大于实际采用的切削宽度或CAM软件中的步距。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112163361A (zh) * 2020-10-13 2021-01-01 南京航空航天大学 一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法
CN113158503A (zh) * 2021-01-20 2021-07-23 青岛黄海学院 一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102452020B (zh) * 2010-10-22 2016-08-10 西安交通大学 一种数控机床刀具温度场和热变形定量分析方法
WO2013049873A1 (en) * 2011-10-06 2013-04-11 Vr Tek Pty Ltd Tyre cutting and fragmenting device and method
CN105160059A (zh) * 2015-07-11 2015-12-16 西安工业大学 一种基于bp和ga的叶片加工切削用量优化选择方法
CN105825025B (zh) * 2016-03-30 2019-01-15 清华大学 板状零件加工变形仿真预测方法

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