CN113158503A - 一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法 - Google Patents

一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法 Download PDF

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张平
于晓
岳修杰
王鹏昊
姜宝华
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Qingdao Huanghai University
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Qingdao Huanghai University
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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，涉及零件切削加工技术领域。本发明包括刀具路径的信息提取、有限元的曲面加工仿真和切削加工变形预测模型的参数，刀具路径的信息提取包括以下步骤：步骤一：提取切削刀具的几何轮廓；步骤二：提取参数信息；步骤三：提取刀具行走路径信息；步骤四：提取工件材料及结构特性，有限元的曲面加工仿真包括以下步骤：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。本发明通过设置刀具路径的信息提取和有限元的曲面加工仿真，可以选择切削刀具进行切削实验，可以在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。

Description

一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法
技术领域
本发明属于零件切削加工技术领域，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
切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑,使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法，刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象，但刀具磨损过快或发生非正常磨损(也称破损)，必然会影响加工质量，增加刀具消耗，使生产效率降低，加工成本提高。因此，通过研究刀具磨损，可制订合理的切削加工方案，提高生产效率和零件加工质量，并有利于降低加工成本，然而在对复杂曲面零件进行切削时还存在一定的不足之处，现有的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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，以解决了现有的问题：现有的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。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，包括刀具路径的信息提取、有限元的曲面加工仿真和切削加工变形预测模型的参数，所述刀具路径的信息提取包括以下步骤：
步骤一：提取切削刀具的几何轮廓；
步骤二：提取参数信息；
步骤三：提取刀具行走路径信息；
步骤四：提取工件材料及结构特性。
进一步地，所述有限元的曲面加工仿真包括以下步骤：
步骤一：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；
步骤二：将交点与网格节点按照距离最近的原则匹配；
步骤三：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；
步骤四：如果网格节点已被匹配过，则放弃当前刀位点；
步骤五：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。
进一步地，所述切削加工变形预测模型的参数包括以下步骤：
步骤一：切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上；
步骤二：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；
步骤三：边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加；
步骤四：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；
步骤五：分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过设置刀具路径的信息提取和有限元的曲面加工仿真，可以选择切削刀具进行切削实验，可以在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。
2、本发明通过设置切削加工变形预测模型可以提取提前一刀位对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，更新切削加工变形预测模型中的载荷大小。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，包括刀具路径的信息提取、有限元的曲面加工仿真和切削加工变形预测模型的参数，刀具路径的信息提取包括以下步骤：
步骤一：提取切削刀具的几何轮廓；
步骤二：提取参数信息；
步骤三：提取刀具行走路径信息；
步骤四：提取工件材料及结构特性。
有限元的曲面加工仿真包括以下步骤：
步骤一：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；
步骤二：将交点与网格节点按照距离最近的原则匹配；
步骤三：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；
步骤四：如果网格节点已被匹配过，则放弃当前刀位点；
步骤五：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。
切削加工变形预测模型的参数包括以下步骤：
步骤一：切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上；
步骤二：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；
步骤三：边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加；
步骤四：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；
步骤五：分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
本实施例的一个具体应用为：首先提取刀具路径信息，刀具路径信息包括切削刀具的几何轮廓、提取参数信息、提取刀具行走路径信息和提取工件材料及结构特性，然后按照先后顺序，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，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，下一步是切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上，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，边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加，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，分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，包括刀具路径的信息提取、有限元的曲面加工仿真和切削加工变形预测模型的参数，其特征在于：所述刀具路径的信息提取包括以下步骤：
步骤一：提取切削刀具的几何轮廓；
步骤二：提取参数信息；
步骤三：提取刀具行走路径信息；
步骤四：提取工件材料及结构特性。
2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于：所述有限元的曲面加工仿真包括以下步骤：
步骤一：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；
步骤二：将交点与网格节点按照距离最近的原则匹配；
步骤三：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；
步骤四：如果网格节点已被匹配过，则放弃当前刀位点；
步骤五：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。
3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面零件切削加工变形预测方法，其特征在于：所述切削加工变形预测模型的参数包括以下步骤：
步骤一：切削载荷施加在当前刀位点对应的网格节点上；
步骤二：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；
步骤三：边界条件按照实际的复杂曲面零件装夹约束施加；
步骤四：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；
步骤五：分析步设置重启动，预留预测结果访问接口。
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