CN110032748A - 适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法，它包括以下步骤：设定铣刀几何参数、工件材料参数、铣刀材料参数、加工工艺参数以及超声振动参数；对铣削模型进行转换，建立纵扭超声铣削三维等效模型；建立刀具、工件、工件基体及装配三维模型；对刀具、工件、工件基体划分网格；实现刀具纵扭超声振动；设定刀具切削运动边界条件；提交计算，输出切削刃运动轨迹、切削力、切削温度的计算结果。本发明通过对铣削模型进行转换，成功实现了刀具作为纵扭超声振动载体的铣削三维有限元仿真，考虑了刀具螺旋角和切削刃半径，其模型和实际加工过程更为贴切，计算精度得以保证。同时本发明通过建立工件基体模型，成果实现了切削力的输出。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动加工建模方法，特别是涉及一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法。
背景技术：
超声振动尤其是二维纵扭超声振动技术由于其高频的振动冲击，以及分离特性，能够有效降低加工过程中的平均切削力和切削温度，在抗疲劳制造技术中有着重要的地位。而将超声技术与铣削加工方法相复合从而获得已加工表面压应力的主动控制，是目前机械制造领域抗疲劳制造技术研究的主要方法之一。
随着计算机硬件水平的不断提高，通过有限元仿真去模拟超声铣削加工不失为一种有效的方法，一方面可以通过完善材料物理参数，以及加工中存在的物理现象，去实现加工结果的预测，相对于解析模型有更高的精度；另一方面，为试验提供指导，减少了探索试验的次数和盲区，从而降低人力物力的消耗，提高了经济性。
目前高温合金铣削有限元仿真所存在问题：
(1)二维模型：忽略材料应变厚度的影响，忽略刀具螺旋角的影响，产生较大的误差。且无法实现刀具同时产生轴向和扭转方向超声振动的仿真。
(2)三维模型：模型复杂，计算耗时长，对计算机硬件有较高要求。
(3)纵扭超声铣削三维仿真：采用传统的三维模型，无法实现刀具同时产生轴向和扭转方向超声振动的仿真。
(4)超声振动铣削切削力仿真：对于刀具作为超声振动载体，由于超声振动会产生高频周期性的加速度，采用传统从刀具参考点作为切削力的输出质点不能准确反映实际切削力。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种模型和实际加工过程更为贴切且计算精度得以保证的新型适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法。
本发明的技术方案是：
一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法，包括以下步骤：
(1)设定铣刀几何参数、工件材料参数、铣刀材料参数、加工工艺参数以及超声振动参数；所述铣刀几何参数包括刀具前角r0、刀具后角a0、铣刀直径D、刀具螺旋角b、切削刃半径re、铣刀齿数N；
所述工件材料参数包括材料密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、非弹性热分数、膨胀系数、准静态下的屈服强度A，硬化模量B，应变率敏感系数C，温度敏感系数m，应变硬化指数n，材料的单元失效准则参数D1、D2、D3、D4和D5；
所述铣刀材料参数包括材料密度、弹性模量刀、泊松比、热导率、比热容；所述加工工艺参数包括每齿进给量fz、切削宽度ae、进给速度vf、主轴转速n；
所述超声振动参数包括纵向和扭转超声振动频率f1和f2、纵向和扭
(2)铣削模型等效转换：
利用所述步骤(1)中的铣刀几何参数和加工工艺参数，按照图1所述的铣 削模型转换几何关系，计算得到hmax、l
其中
(3)建立刀具、工件及装配三维模型：
利用所述步骤(1)中的铣刀几何参数和加工工艺参数，结合所述步骤2中的hmax和l，按照图2所示建立刀具模型和工件模型，并对刀具、工件划分网格，刀具-工件装配的相对位置如图3所示；
(4)在工件下方增加与工件尺寸相匹配的工件基体，施加刚体约束，建立参考点，作为切削力输出的质点，如图3所示。
(5)根据所述步骤(1)中的刀具材料参数和工件材料参数，分别赋予所述步骤(3)建立的刀具和工件模型材料属性；赋予所述步骤(4)建立的工件基体工件材料属性。
(6)赋予刀具纵扭超声振动:
利用所述步骤(1)中的超声振动参数和所述步骤(3)建立的刀具-工件装配模型，在刀具参考点RP位置同时施加纵向和扭转方向上的周期性位移边界条件，实现刀具纵扭超声振动，其中扭转超声振幅 A2和铣刀等效半径Rt'满足弧长计算公式,即A2＝α×Rt'/180；α为一个扭转超声振动周期内刀具切削刃所经历圆心角的弧度数；
(7)赋予刀具切削运动：
根据所述步骤(1)中的加工工艺参数，赋予刀具切削运动；
(8)提交计算及后处理：
根据所述步骤(1)-(7)所建立的模型，提交计算，输出切削刃运动轨迹、切削力、切削温度等计算结果，如图4-6所示。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过模型转换，在刀具上建立参考点RP，相对于传统的三维模型，由于刀具不再需要随主轴产生旋转运动，不再和扭转超声振动产生过约束，因而，可将纵向超声振动和扭转超声振动同时施加于刀具参考点位置。图中LUV和TUV分别代表纵向和扭转超声振动。在施加扭转超声振动时，需要考虑刀具的等效半径(如图3中Rt')，保证切削刃位置产生符合要求的扭转振幅。
2、本发明通过在工件下方增加基体，赋予刚体约束，建立参考点，作为切削力输出的质点，成果避免了当刀具作为超声振动载体时，由于刀具受超声振动作用所产生的周期性加速度，而导致的切削力的输出不准确现象。
3、本发明模型和实际加工过程更为贴切且计算精度得以保证，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为本发明铣削模型转换几何关系示意图；
图2为本发明刀具和工件几何模型示意图；
图3为本发明纵扭超声铣削等效模型示意图；
图4为本发明切削刃运动轨迹计算结果示意图；
图5为本发明切削力计算结果示意图；
图6为本发明切削温度计算结果示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图6。适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法，设定以下参数：铣刀前角5°，后角12°，螺旋角30°，切削刃半径0.01mm，切削速度25m/min，每齿进给量0.008mm/z，径向切深0.15mm，轴向切深2mm，纵振振幅5μm，扭转振幅4μm，纵扭频率35kHz，纵扭相位差90°，刀具材料参数如表1所示，工件材料参数如表2和3所示，工件材料单元失效准则参数如表4所示。
表1刀具材料参数
表2工件材料参数
表3工件材料本构参数
表4工件材料单元失效准则参数
根据确定的参数，计算hmax、l，如下式：
式中，fz、ae、Rt、β、vf、n、N分别代表每齿进给量、切削宽度、铣刀半径、铣刀螺旋角、进给速度、主轴转速、铣刀齿数。
根据计算结果，以及设定的参数，建立刀具和工件模型如图2。其装配后的相对位置如图3所示。
在工件下方装配与工件尺寸相匹配的工件基体，赋予刚体约束，在其中心位置建立参考点，如图3所示。
将所设定的材料参数分别赋予工件和刀具材料属性。同时赋予工件基体工件材料属性。
根据所设定的超声振动参数，赋予刀具纵扭超声振动，如图3所示，在参考点位置分别施加纵向超声振动和扭转超声振动。
提交有限元分析软件ABAQUS进行计算，输出切削刃运动轨迹、切削力、切削温度的计算结果，如图4、5、6所示。
从图4可以看到，切削刃位置的幅值、相位差以及频率满足目标期望，这也进一步说明采用该方法对纵扭超声辅助加工进行仿真是有效的。
从图5可以看到，在纵扭超声振动切削中，切削力会随着超声振动产生周期性的“回零”波动，这主要是由于纵扭超声加工过程中刀具-工件分离特性造成的，证明了采用纵扭超声振动能够有效降低平均切削力。
从图6可以看到，在切削阶段，节点处的温度逐渐上升，当刀具距离节点最近时，节点温度达到最大值，同时切削温度会随着纵扭超声振动产生周期性的波动，刀具距离节点越近，温度波动约剧烈。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法，包括以下步骤：
(1)设定铣刀几何参数、工件材料参数、铣刀材料参数、加工工艺参数以及超声振动参数；所述铣刀几何参数包括刀具前角r0、刀具后角a0、铣刀直径D、刀具螺旋角b、切削刃半径re、铣刀齿数N；
所述工件材料参数包括材料密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、非弹性热分数、膨胀系数、准静态下的屈服强度A，硬化模量B，应变率敏感系数C，温度敏感系数m，应变硬化指数n，材料的单元失效准则参数D1、D2、D3、D4和D5；
所述铣刀材料参数包括材料密度、弹性模量刀、泊松比、热导率、比热容；所述加工工艺参数包括每齿进给量fz、切削宽度ae、进给速度vf、主轴转速n；
所述超声振动参数包括纵向和扭转超声振动频率f1和f2、纵向和扭转超声振动幅度A1和A2、纵向和扭转超声相位差j；
(2)铣削模型等效转换：
利用所述步骤(1)中的铣刀几何参数和加工工艺参数，按照铣削模型转换几何关系，计算得到hmax、l其中
(3)建立刀具、工件及装配三维模型：
利用所述步骤(1)中的铣刀几何参数和加工工艺参数，结合所述步骤(2)中的hmax和l，按照刀具和工件几何模型对刀具、工件划分网格，刀具-工件装配的相对位置构成纵扭超声铣削等效模型；
(4)在工件下方增加与工件尺寸相匹配的工件基体，施加刚体约束，建立参考点，作为切削力输出的质点；
(5)根据所述步骤(1)中的刀具材料参数和工件材料参数，分别赋予所述步骤(3)建立的刀具和工件模型材料属性；赋予所述步骤(4)建立的工件基体工件材料属性；
(6)赋予刀具纵扭超声振动:
利用所述步骤(1)中的超声振动参数和所述步骤(3)建立的刀具-工件装配模型，在刀具参考点RP位置同时施加纵向和扭转方向上的周期性位移边界条件，实现刀具纵扭超声振动，其中扭转超声振幅A2和铣刀等效半径Rt'满足弧长计算公式,即A2＝α×Rt'/180；α为一个扭转超声振动周期内刀具切削刃所经历圆心角的弧度数；
(7)赋予刀具切削运动：
根据所述步骤(1)中的加工工艺参数，赋予刀具切削运动；
(8)提交计算及后处理：
根据所述步骤(1)-(7)所建立的模型，提交计算，输出切削刃运动轨迹、切削力、切削温度等计算结果。
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| GR01 | Patent grant | ||
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