CN115470583A - 一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，通过Advantedge FEM软件求解不同加工参数下的切削力、切削温度，并将切削力作为边界条件输入ANSYS Workbench软件/ABAQUS软件等有限元软件，通过静强度分析、模态分析和谐响应分析，模拟不同加工参数下悬臂零件的加工变形量、固有频率和振动幅值。通过两款数值模拟软件的结合使用，实现了加工过程中切削力、切削温度、切削变形和零件振动频率的准确预测，基于预测结果可以确定在加工大悬臂零件时的最优切削参数与装夹方式，对实际生产具有指导作用，可有效提高加工质量和效率，减少生产成本。

Description

一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法

技术领域

本发明涉及金属切削加工数值模拟领域，特别涉及一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法。

背景技术

在航空装备领域，由于航空零件种类繁多、形状复杂、选材各异，使得加工变形问题越发突出。如大悬臂零件，由于其刚性较差，加工过程中极易产生变形和局部颤振，影响零件的尺寸精度和表面质量。此外，高比强度材料如钛合金等由于其固有特性，导致其具有难切削、切削温度高、切削颤振等诸多问题。通常通过调整加工参数来控制变形和提高加工精度。

目前，针对零件加工时的加工参数主要以“经验法”为主，且加工过程中的切削力、切削温度、切削变形、振动频率等无法直观获取，只能通过“试验-纠错法”不断迭代优化来改进。使用此方法不仅无法获得最优的加工参数，且需消耗大量时间和成本，将严重延缓零件生产周期。

发明专利CN114595614A提供了一种控制框类工件加工变形的模拟方法。通过有限元模型获取初始残余应力场，并根据预先确定的影响加工变形量的因素水平建立正交表格，进行模拟加工，得到多个模拟结果，最后基于模拟结果，确定最小变形量相对应的开槽方式、开槽尺寸和加工顺序等。该方法仅针对加工后的残余应力场进行模拟研究，然而切削力、切削温度、切削颤振等因素均会对框类工件造成加工变形，同时不同的装夹方式对加工变形也有一定的影响，而此方法未综合考虑加工参数的影响。

发明专利CN108182325B提供了一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法。通过有限元分析得到的粗加工后结构的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，模拟最终的加工变形。此方法是针对整个加工过程，及粗加工到精加工的应力迭代来控制加工变形，同时考虑了切削力耦合的作用。但同样未考虑不同装夹方式以及切削颤振的问题。

发明专利CN111390299B提供了一种浮动支撑摩擦片加工变形预测方法。通过有限元软件设置切削参数模拟了加工过程的温度分布、应力分布、变形分布，达到了加工变形的预测。但与前两篇专利一样，未将装夹方式与切削颤振的问题考虑在加工变形里，将导致模拟结果不准确等问题。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提出了一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，在数值模拟时综合考虑切削过程中的温度场、切削力、装夹方式、切削颤振等因素对加工零件变形的影响，所得到的最优加工参数对实际生产具有较好的指导作用，能够提高零件加工质量，节约生产成本。

为了解决上述问题，本发明提出的一种大悬臂零件加工变形控制的数值模拟方法，该方法包括以下步骤：

一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤一，使用Advantedge FEM软件对悬臂零件三维模型进行数值模拟迭代，获取悬臂零件的最优温度场和最优切削力，并基于所述最优温度场和最优切削力确定最优切削速度、最优进给量和最优切削深度；

步骤二，以步骤一得到的最优切削力作为边界条件，使用有限元软件对所述悬臂零件三维模型进行静强度分析，获取不同装夹方式下零件的加工变形量；

步骤三，使用有限元软件对所述悬臂零件三维模型进行模态分析，获取零件的前六阶固有频率和前六阶模态振型，以此确定不同装夹方式下的比刚度薄弱区域；

步骤四，最优切削速度验证：

以步骤三得到的前六阶固有频率和前六阶模态振型作为边界条件，使用有限元软件对所述悬臂零件三维模型进行谐响应分析，获取零件的变形响应频率，以此变形响应频率求解相应的主轴转速n，基于该主轴转速n对步骤一得到的最优切削速度进行验证，验证结果显示所述最优切削速度不会引起零件产生共振变形；

步骤五，确定最优加工参数：

将步骤一得到的悬臂零件的最优切削速度、最优进给量和最优切削深度作为最优切削参数输出；

根据步骤二得到的不同装夹方式下零件的加工变形量，选择加工变形量最小的装夹方式，以此装夹方式为基础，依据加工变形量要求确定是否在步骤三确定的不同装夹方式下的比刚度薄弱区域增加支撑，从而确定最优装夹方式；

以所述最优切削参数和最优装夹方式作为最优加工参数输出。

进一步地，所述步骤一具体为：

步骤1.1边界条件设置：

将建立好的悬臂零件三维模型以“.stp”的格式导入Advantedge FEM软件中，基于Advantedge FEM软件中的Johnson-Cook本构模型设置边界条件，包括零件材料属性、零件尺寸、切削层厚度、刀具基本尺寸、刀具材料属性及涂层厚度、主要切削参数、刀具-零件摩擦系数和冷却液流量；所述主要切削参数包括切削速度、进给量和切削深度；

步骤1.2对刀具、零件进行网格划分；

步骤1.3提交仿真任务，获取当前切削参数下的温度场云图和切削力变化曲线；

步骤1.4改变边界条件中的切削速度、进给量和切削深度这三个参数中的一个或多个，重复步骤1.1-1.3进行数值模拟，直至求解得到悬臂零件的最优温度场和最优切削力，将获取的最高切削温度值最小、最大切削力值最小的一组切削速度、进给量和切削深度作为当前工序的最优切削速度、最优进给量和最优切削深度。

进一步地，所述步骤1.2中对参与切削过程的部位进行局部网格细化，其余部位采用默认全局网格尺寸。

进一步地，步骤二、三、四中所述的有限元软件为ABAQUS软件。

进一步地，步骤二、三、四中所述的有限元软件为ANSYS Workbench软件。

进一步地，所述步骤二具体为：

步骤2.1将悬臂零件三维模型以“.stp”的格式导入ANSYS Workbench软件中；

步骤2.2调用ANSYS Workbench软件中的Static Structural模块，在StaticStructural模块中对悬臂零件三维模型施加不同位置的约束条件以模拟对工件不同的装夹方式，并将步骤1.4求解的最优切削力输入到边界条件中，分别得到不同装夹方式下零件切削表面变形云图，基于所述零件切削表面变形云图确定不同装夹方式下零件的加工变形量。

进一步地，所述步骤三具体为：调用ANSYS Workbench软件中的Modal模块，在Modal模块中对零件进行模态分析，确定不同装夹方式下零件的固有频率及前六阶模态振型，根据该固有频率及前六阶静态模型确定在不同装夹方式下的比刚度薄弱区域。

进一步地，所述步骤四具体为：

调用ANSYS Workbench软件中的Harmonic Response模块，在Harmonic Response模块中对零件进行谐响应分析，将步骤三经模态分析得到的前六阶固有频率和前六阶模态振型及施加在零件上的最优切削力作为边界条件，得到振动幅值曲线，基于所述振动幅值曲线通过谐响应分析得到零件的变形响应频率；

基于所述变形响应频率求解机床主轴转速n，将所述机床主轴转速n与所述步骤一得到的最优切削速度进行对比验证，所述最优切削速度不等于所述机床主轴转速n，也不在所述机床主轴转速附近，不会引起零件加工共振。

本发明的有益效果：

本发明通过多种数值模拟软件对悬臂零件加工变形进行仿真，具体通过Advantedge FEM软件求解不同加工参数下的切削力、切削温度，并将切削力作为边界条件输入ANSYS Workbench软件/ABAQUS软件等有限元软件，通过静强度分析、模态分析和谐响应分析，模拟不同加工参数下悬臂零件的加工变形量、固有频率和振动幅值。通过两款数值模拟软件的结合使用，实现了加工过程中切削力、切削温度、切削变形和零件振动频率的准确预测，基于预测结果可以确定在加工大悬臂零件时的最优切削参数与装夹方式，有效减小零件的加工变形。因此，通过本发明得到的数值模拟结果对实际生产具有一定的指导作用，可有效提高加工质量、加工效率，减少生产成本。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为刀具-零件的网格划分图。

图3为切削过程温度场云图。

图4为切削力变化曲线。

图4中的Force-X、Force-Y、Force-Z分别指代当前设置的切削坐标下，X、Y、Z三个方向的切削力。

图5为悬臂件切削表面变形云图。

图6为振动幅值曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例：

本实施例从实际生产加工出发，在以本发明技术方案为前提下进行实施，依据图1所示本发明的流程图，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，具体如下：

步骤一，使用Advantedge FEM软件求解悬臂零件的最优切削力和最优切削参数，具体方法为：

1.1边界条件设置：

将建立好的悬臂零件三维模型以“.stp”的格式导入Advantedge FEM软件中，基于Advantedge FEM软件中的Johnson-Cook本构模型设置边界条件，包括零件材料属性、零件尺寸、切削层厚度、刀具基本尺寸、刀具材料属性及涂层厚度、主要切削参数、刀具-零件摩擦系数和冷却液流量；所述主要切削参数包括切削速度、进给量和切削深度；

1.2对刀具、零件进行网格划分：

如图2所示，对刀具、零件进行网格划分，为提高计算效率以及仿真结果的准确性，本发明对参与切削过程的部位进行局部网格细化(即使得参与切削的部位网格划分的更密)，而对其余部位采用默认全局网格尺寸；

1.3获取当前切削参数下的温度场云图和切削力变化曲线：

如图3、4所示，边界条件添加完成、网格划分后，提交仿真任务即可获得当前切削参数下的温度场云图(如图3所示)和切削力变化曲线(如图4所示)；

通过如图3所示的温度场云图可以获得在当前切削参数下的最高温度发生区域，因为有些材料是耐高温材料，随着切削参数的变化，其硬度和强度也是变化的，进而会影响切削力的变化。同时，切削温度也将影响刀具的耐磨性。在实际的加工中，应尽量避免高温下加工。

由于切削过程本身就是非稳态变化的，因而图4中X,Y,Z曲线呈上下波动的趋势，依据图4中X,Y,Z曲线可获得X,Y,Z三个方向上切削力的最大值；

1.4通过多次迭代，获取最优温度场、最优切削力，基于所述最优温度场和最优切削力确定出最优切削参数：

切削速度、进给量和切削深度为金属切削三要素，某一道切削工序针对金属切削三要素都会有一系列经验数据，我们根据这一系列经验数据改变边界条件中的切削速度、进给量和切削深度这三个参数中的一个或多个，重复步骤1.1-1.3进行数值模拟，直至求解得到悬臂零件的最优温度场和最优切削力，将获取的最高切削温度值最小、最大切削力值最小的一组切削速度、进给量和切削深度作为当前工序的最优切削参数。前述的“一系列经验数据”可基于机床、刀具经销商依据切削某种金属(铝合金、钛合金、高温合金)给出的对应的切削三要素的大致范围选取，也可依据相关书籍或论文中给出的典型结构(薄壁件、悬臂件等)切削三要素的大致范围选取。

步骤二，使用ANSYS Workbench软件中的Static Structural模块求解不同装夹方式下零件的加工变形量，具体方法为：

2.1将悬臂零件三维模型以“.stp”的格式导入ANSYS Workbench软件中；

2.2调用ANSYS Workbench软件中的Static Structural模块，在StaticStructural模块中对悬臂零件三维模型施加不同位置的约束条件以模拟对工件不同的装夹方式，并将步骤1.4求解的最优切削力输入到边界条件(该边界条件与前述1.1设置的边界条件不是同一个，可以理解为将步骤一输出的最优切削力作为当前的输入条件)中，分别得到不同装夹方式下零件切削表面变形云图(每一种装夹方式均会得到一个零件切削表面变形云图)，基于该零件切削表面变形云图可以确定不同装夹方式下零件的加工变形量；图5所示为某一种装夹方式的零件切削表面变形云图示例，如图5所示，某种装夹方式下，零件的加工变形量最大值为0.027mm。

步骤三，使用ANSYS Workbench软件中的Modal模块求解零件的前六阶固有频率和前六阶模态振型，以此确定不同装夹方式下的比刚度薄弱区域，具体方法为：

调用ANSYS Workbench软件中的Modal模块，在Modal模块中对零件进行模态分析，确定不同装夹方式下零件的固有频率及前六阶模态振型，不同装夹方式可视为不同的工件-夹具系统，前六阶固有频率值越高，工件-夹具系统越稳定，从而根据固有频率及前六阶静态模型能够确定在不同装夹方式下的比刚度薄弱区域，若对该比刚度薄弱区域的加工变形量有较严格的要求，实际切削加工期间可以在此比刚度薄弱区域增加支撑，以减少加工变形。

步骤四，使用ANSYS Workbench软件中的Harmonic Response模块求解零件在切削频率下的变形响应，基于此对步骤一得到的最优切削速度进行验证，具体方法为：

调用ANSYS Workbench软件中的Harmonic Response模块，在Harmonic Response模块中对零件进行谐响应分析，将步骤三经模态分析得到的前六阶固有频率和前六阶模态振型及施加在零件上的最优切削力作为边界条件(该边界条件与前述1.1、2.2设置的边界条件不是同一个，可以理解为将步骤三输出的前六阶固有频率和模态振型以及步骤一输出的最优切削力作为当前的输入条件)，得到如图6所示的振动幅值曲线，基于该振动幅值曲线通过谐响应分析得到零件的变形响应频率，实际切削加工期间应避免刀具在此变形响应频率下切削零件，防止其与零件产生共振变形。如图6所示为振动幅值曲线示例，从图中可以看出刀具在270HZ下切削零件，会与零件产生共振变形，振动幅值为0.35776mm。

避免刀具在变形响应频率下切削零件的方法为：

根据公式f＝n·z/60，其中n为机床主轴转速，z为所使用刀具的齿数，f为振动频率；将基于振动幅值曲线得到的变形响应频率f代入公式f＝n·z/60中，计算出此时的主轴转速n，再将得到的主轴转速n与前述步骤1.4迭代出的最优切削参数中的切削速度进行对比，

若振动幅值曲线上峰值(即变形响应频率)处斜率很大，则只需查验所选的最优切削参数中的切削速度是否等于主轴转速n；

若振动幅值曲线上峰值(即变形响应频率)处斜率较小，呈缓慢上升的趋势，则还需要查验所选的最优切削参数中的切削速度是否在主轴转速n附近(相差在±10％以内可视为在其附近)；

如果是，则要避免在此转速下的进行切削。

本步骤的目的是通过振动幅值曲线对前述步骤1.4得到的最优切削速度进行的双重验证，经大量实际验证结果表明，前述步骤1.4迭代出的最优切削速度不等于所述机床主轴转速n，也不在所述机床主轴转速n附近，不会引起零件加工共振。

步骤五，确定最优加工参数，具体方法为：

将步骤一得到的悬臂零件的最优切削参数，包括最优切削速度、最优进给量和最优切削深度作为当前工序的最优切削参数输出；

根据步骤二得到的不同装夹方式下零件的加工变形量，选择加工变形量最小的装夹方式，以此装夹方式为基础，依据加工变形量要求确定是否在步骤三确定的不同装夹方式下的比刚度薄弱区域增加支撑，从而确定最优装夹方式；

以所述最优切削参数和最优装夹方式作为最优加工参数指导实际切削加工，能够有效减小零件的加工变形。

最后需要说明的是，上述步骤二、三、四不局限于在ANSYS Workbench软件中实现，在其他实施例中上述步骤二、三、四也可在ABAQUS等其他有限元软件进行，即利用ABAQUS等其他有限元软件对零件进行静强度分析、模态分析和谐响应分析。

Claims (8)

1.一种基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，使用Advantedge FEM软件对悬臂零件三维模型进行数值模拟迭代，获取悬臂零件的最优温度场和最优切削力，并基于所述最优温度场和最优切削力确定最优切削速度、最优进给量和最优切削深度；

步骤二，以步骤一得到的最优切削力作为边界条件，使用有限元软件对所述悬臂零件三维模型进行静强度分析，获取不同装夹方式下零件的加工变形量；

步骤三，使用有限元软件对所述悬臂零件三维模型进行模态分析，获取零件的前六阶固有频率和前六阶模态振型，以此确定不同装夹方式下的比刚度薄弱区域；

步骤四，最优切削速度验证：

以步骤三得到的前六阶固有频率和前六阶模态振型作为边界条件，使用有限元软件对所述悬臂零件三维模型进行谐响应分析，获取零件的变形响应频率，以此变形响应频率求解相应的主轴转速n，基于该主轴转速n对步骤一得到的最优切削速度进行验证，验证结果显示所述最优切削速度不会引起零件产生共振变形；

步骤五，确定最优加工参数：

将步骤一得到的悬臂零件的最优切削速度、最优进给量和最优切削深度作为最优切削参数输出；

根据步骤二得到的不同装夹方式下零件的加工变形量，选择加工变形量最小的装夹方式，以此装夹方式为基础，依据加工变形量要求确定是否在步骤三确定的不同装夹方式下的比刚度薄弱区域增加支撑，从而确定最优装夹方式；

以所述最优切削参数和最优装夹方式作为最优加工参数输出。

2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：所述步骤一具体为：

步骤1.1边界条件设置：

将建立好的悬臂零件三维模型以“.stp”的格式导入Advantedge FEM软件中，基于Advantedge FEM软件中的Johnson-Cook本构模型设置边界条件，包括零件材料属性、零件尺寸、切削层厚度、刀具基本尺寸、刀具材料属性及涂层厚度、主要切削参数、刀具-零件摩擦系数和冷却液流量；所述主要切削参数包括切削速度、进给量和切削深度；

步骤1.2对刀具、零件进行网格划分；

步骤1.3提交仿真任务，获取当前切削参数下的温度场云图和切削力变化曲线；

步骤1.4改变边界条件中的切削速度、进给量和切削深度这三个参数中的一个或多个，重复步骤1.1-1.3进行数值模拟，直至求解得到悬臂零件的最优温度场和最优切削力，将获取的最高切削温度值最小、最大切削力值最小的一组切削速度、进给量和切削深度作为当前工序的最优切削速度、最优进给量和最优切削深度。

3.根据权利要求2所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：所述步骤1.2中对参与切削过程的部位进行局部网格细化，其余部位采用默认全局网格尺寸。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：步骤二、三、四中所述的有限元软件为ABAQUS软件。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：步骤二、三、四中所述的有限元软件为ANSYS Workbench软件。

6.根据权利要求4所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：所述步骤二具体为：

步骤2.1将悬臂零件三维模型以“.stp”的格式导入ANSYS Workbench软件中；

步骤2.2调用ANSYS Workbench软件中的Static Structural模块，在StaticStructural模块中对悬臂零件三维模型施加不同位置的约束条件以模拟对工件不同的装夹方式，并将步骤1.4求解的最优切削力输入到边界条件中，分别得到不同装夹方式下零件切削表面变形云图，基于所述零件切削表面变形云图确定不同装夹方式下零件的加工变形量。

7.根据权利要求6所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：所述步骤三具体为：调用ANSYS Workbench软件中的Modal模块，在Modal模块中对零件进行模态分析，确定不同装夹方式下零件的固有频率及前六阶模态振型，根据该固有频率及前六阶静态模型确定在不同装夹方式下的比刚度薄弱区域。

8.根据权利要求7所述的基于数值模拟的悬臂零件最优加工参数获取方法，其特征在于：所述步骤四具体为：

调用ANSYS Workbench软件中的Harmonic Response模块，在Harmonic Response模块中对零件进行谐响应分析，将步骤三经模态分析得到的前六阶固有频率和前六阶模态振型及施加在零件上的最优切削力作为边界条件，得到振动幅值曲线，基于所述振动幅值曲线通过谐响应分析得到零件的变形响应频率；

基于所述变形响应频率求解机床主轴转速n，将所述机床主轴转速n与所述步骤一得到的最优切削速度进行对比验证，所述最优切削速度不等于所述机床主轴转速n，也不在所述机床主轴转速附近，不会引起零件加工共振。

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