亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        超薄零件車削加工變形研究*

        2017-05-14 02:34:30
        航空制造技術(shù) 2017年22期
        關(guān)鍵詞:有限元變形

        (天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室,天津 300072)

        超薄零件具有重量小、表面質(zhì)量高、比表面積大等突出特點,在微型器件、新型能源、懸浮傳感器等方面有廣泛的應(yīng)用前景。在超精密車削過程中,超過80%的坯料都將以切屑的方式去除,加工過程中最突出的問題是加工應(yīng)力會引起工件變形[1]。加工結(jié)束去除裝夾后,超薄零件會發(fā)生彎曲等結(jié)構(gòu)變形,難以達到設(shè)計要求。實際生產(chǎn)過程中,主要通過加工經(jīng)驗來減小零件變形,缺少定性分析,導(dǎo)致零件質(zhì)量不能得到保證。因此,預(yù)測零件加工后變形,分析變形的機理,并通過改進加工工藝來減小零件變形具有十分重要的工程意義。

        有限元作為一種重要的數(shù)值計算方法,在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。采用切削加工有限元仿真可以在計算機中再現(xiàn)工件切削加工過程,可以較準確地預(yù)測加工前后的應(yīng)力與變形。研究人員對大型薄壁件的切削仿真開展了較多研究[2-5],但針對高精度超薄零件加工變形研究的報道卻很少見。超薄件長厚比遠大于薄壁件,加工過程對超薄零件變形的影響將明顯區(qū)別于薄壁件,因此超薄零件加工變形仿真具有重要研究意義。此外,仿真中薄壁件銑削路徑可簡化為直線式,而車削超薄零件需簡化為環(huán)形路徑加工,因此超薄件加工變形的仿真對工件網(wǎng)格劃分、切削載荷確定提出了新的要求。本文以超精密車削超薄鋁作為研究對象,建立用于預(yù)測超薄零件整體加工變形的有限元仿真系統(tǒng),通過加工試驗驗證有限元仿真過程的正確性,并對整體變形原因進行分析,從而指導(dǎo)加工工藝的改進和優(yōu)化。

        1 切削加工仿真系統(tǒng)

        在超薄零件切削加工模擬中,涉及沿刀具路徑的眾多切削位置的計算,以及每一個位置材料去除的分析?;谟邢拊芯?,可將加工仿真系統(tǒng)分為4部分[6]:

        (1)外部數(shù)據(jù)輸入:用于實現(xiàn)幾何模型導(dǎo)入、模型網(wǎng)格劃分、單元節(jié)點重新編號。為方便模擬沿刀具路徑的整體切削過程,需要進行節(jié)點排序、單元編號,幾何模型可從計算機輔助設(shè)計(CAD)導(dǎo)入。

        (2)有限元模型搭建:該部分用于實現(xiàn)模型參數(shù)的輸入、起始狀態(tài)的輸入以及相關(guān)求解器的調(diào)用。

        (3)PYTHON腳本編寫:利用程序語言進行各部分整合,從而實現(xiàn)對各切削位置的切削載荷加載、邊界條件施加、材料去除,全部仿真過程由程序控制,實現(xiàn)操作自動化。

        (4)子程序結(jié)果處理:該部分用于結(jié)果分析,利用PYTHON與MATLAB對仿真結(jié)果進行后處理,對所需的數(shù)據(jù)進行提取分析。

        整體仿真流程如圖1所示,首先對零件進行初始網(wǎng)格劃分,通過MATLAB進行節(jié)點排序、單元編號,從而生成包含幾何特征與網(wǎng)格定義的模型文件;然后自動施加邊界條件和切削載荷,調(diào)用有限元求解器對切削加工過程進行仿真計算。由于仿真工件切削整個過程計算量大,在各環(huán)加工完成后要進行結(jié)果的重啟動,將結(jié)果映射到下一次加工中,生成包含前一次加工信息的模型文件,再次施加邊界條件與切削力,循環(huán)直至加工完成,整個過程可通過PYTHON語言編程實現(xiàn)。

        圖1 整體加工仿真流程圖Fig.1 Flow chart of machining simulation

        2 加工工藝向仿真系統(tǒng)的參數(shù)轉(zhuǎn)換

        2.1 車削加工參數(shù)的仿真轉(zhuǎn)換

        仿真參數(shù)要反映實際切削參數(shù),才能在模擬中實現(xiàn)真實的工件加工過程。因此在整體仿真中,需要將切削加工參數(shù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格劃分中單元在3個維度上的尺寸。切削深度決定切削層單元厚度,切削速度決定單元環(huán)形長度,圖2所示的刀鼻半徑R與切削深度ap綜合決定切削寬度,瞬態(tài)切削寬度p為主軸旋轉(zhuǎn)一周的進給量,單元徑向長度由切削寬度與仿真效率共同確定。

        切削過程中的材料去除由“單元生死”技術(shù)實現(xiàn)[7-8],即通過程序?qū)⒂邢拊匠痰膭偠汝嚦艘詼p縮系數(shù),完成單元失效。失效單元的相關(guān)載荷為0,同時質(zhì)量等物理量也變?yōu)?。在使用生死單元的過程中,沒有切屑的出現(xiàn),但是切屑與車刀的作用將通過切削載荷加載的形式實現(xiàn)。

        圖2 瞬態(tài)切削示意圖Fig.2 Sketch of transient cutting

        2.2 車削加工路徑的仿真轉(zhuǎn)換

        車削加工路線對工件變形的產(chǎn)生至關(guān)重要,仿真切削路徑必須盡可能真實地反映實際刀具切削路徑。超精密加工端面車削過程中刀具路徑為螺旋線,但有限元模擬中受到網(wǎng)格劃分的影響,很難按照螺旋線軌跡進行單元去除,因此需要對刀具路徑進行簡化。將切削過程簡化為向中心逼近的環(huán)形切削,仿真刀具路徑如圖3所示。

        在網(wǎng)格劃分后,為了快速進行單元查找,需要進行模型切削層的單元編號、節(jié)點排序,利用MATLAB對單元按照刀具路徑重新編號,各單元8個節(jié)點可以用(i,i+1, i+64, i+65, j, j+1, j+64, j+65)表示,通過(i, j)就可以快速定位切削單元,最終通過PYTHON語句實現(xiàn)仿真路徑中的單元去除。

        圖3 仿真刀具路徑Fig.3 Tool path of simulation

        2.3 車削加工切削載荷的仿真轉(zhuǎn)換

        2.3.1 切削力的仿真轉(zhuǎn)換

        法向力Fz影響工件的幾何形狀,切向力Fy對切削用量的選擇具有重要意義。各環(huán)切削力通過帶有厚度的二維正交切削仿真得到。刃傾角是三維切削仿真區(qū)別于二維切削仿真的最明顯特征,而正交切削中刃傾角為0,因此帶厚度的二維正交切削可滿足仿真要求。以切削速度90000mm/min、切削深度10μm、切削寬度0.9mm為例,兩方向仿真切削力如圖4所示,仿真切削力穩(wěn)定段取平均即為各環(huán)切削力??紤]仿真準確性及仿真效率,整體仿真中單元徑向長度遠大于瞬態(tài)切削寬度。因此,仿真切削力并不是實際切削力,是為了產(chǎn)生與實際切削相同切削效果所需的切削力。

        為驗證整體仿真中各環(huán)切削力準確性,結(jié)合試驗、計算模型與仿真,將試驗所得切削力進行轉(zhuǎn)化。類似于切削力經(jīng)驗公式中進給量,考慮切削寬度d,將與切削速度v有關(guān)的切削力經(jīng)驗公式進行擴展:

        試驗測切削力可確定切削速度指數(shù)q,不同切削寬度的試驗與仿真數(shù)據(jù)可確定切削寬度指數(shù)p,確定切削力經(jīng)驗公式為:

        在各環(huán)仿真切削力中取3組,與切削力公式計算值比較,結(jié)果如表1所示,仿真誤差均在1%以下,表明正交仿真切削力具有一定的準確性。

        圖4 仿真切削力Fig.4 Cutting force of simulation

        表1 切削寬度d=0.9mm各速度下仿真與計算切削力

        2.3.2 切削熱的仿真轉(zhuǎn)換

        在3個變形區(qū)的切削熱中,第二變形區(qū)的切削熱主要對刀具與切屑加溫,第三變形區(qū)后刀面與已加工表面摩擦熱很小,所以對工件溫度影響最大的是第一變形區(qū)產(chǎn)生的切削熱。第一變形區(qū)的剪切能[9]可以表示為:

        假設(shè)剪切能全部轉(zhuǎn)化為熱能,其中流入工件的熱能系數(shù)為Rw,則加載熱源為:

        式中,α為導(dǎo)溫系數(shù),?為剪切角,γ為前角。

        2.3.3 施加切削載荷

        圖5為某時刻切削簡化圖,對單元1進行材料去除時,需要對切削面節(jié)點a、b、c、d施加切向力Fy,對切削面底層節(jié)點c、d施加法向力Fz,同時對切削面節(jié)點a、b、c、d施加切削熱邊界條件。切削過程中,切削載荷在不同的切削位置進行加載卸載。切削速度決定加載與卸載時間,載荷在單元保持的時間由單元長度決定,仿真中可定義時間-載荷函數(shù)曲線描述[10]。

        3 模擬變形及試驗驗證

        考慮實際加工需求,模擬加工的超薄鋁幾何尺寸為?20×0.1(mm)。具體模擬切削參數(shù)如下:主軸轉(zhuǎn)速s=1500r/min,進給量f=2mm/min,切削深度ap=10μm。為觀察整體加工后的工件變形,工件車削加工仿真分為兩個階段[11]:(1)在吸盤吸附下的車削加工模擬,在該過程中約束底面x、y、z 3個方向的自由度;(2)去掉吸盤吸附后的工件變形,在該過程中釋放底面約束,對底面不共線3點利用3-2-1原則進行約束,既保證限制剛體位移,又可實現(xiàn)工件的自由變形。

        圖5 切削載荷添加示意圖Fig.5 Sketch map of cutting load

        采用超精密機床進行同尺寸超薄鋁的加工,機床X軸、Z軸直線度0.2μm/250mm,C軸旋轉(zhuǎn)精度0.3″,刀具采用單晶金剛石車刀,前角0°、后角12°,加工路徑為由外向內(nèi)的螺旋切削。實際加工中的工件尺寸與切削參數(shù)均與仿真條件一致,驗證仿真對于超薄零件車削加工變形預(yù)測的正確性。圖6為仿真模擬工件加工后的整體變形,圖7為超薄鋁加工某一直徑下仿真變形值與實際加工變形值的比較。從圖7可知,仿真預(yù)測整體變形與實際變形在外環(huán)基本一致,仿真所得彎曲高度差為14.35μm,試驗所得高度差為15~16μm,實際加工工件在中間位置有約2μm凸出。為在試驗結(jié)果中去除機床、裝夾等影響,在同加工參數(shù)下加工尺寸為?20×0.3(mm)的稍大厚度工件。圖8所示是變形量與超薄件變形量的比較,0.3mm厚度工件彎曲高度差約3μm,認為超薄件外環(huán)較大變形大部分來自精加工過程。仿真中也存在一定的簡化,認為模擬結(jié)果可以接受。

        圖6 模擬超薄零件加工后變形Fig.6 Simulation of deformation of ultra-thin part

        圖7 試驗值與仿真值對比Fig.7 Comparison between experiment deformation and simulation deformation

        圖8 兩不同厚度零件試驗變形量對比Fig.8 Comparison between deformation of two parts in different thickness

        4 超薄零件車削加工變形討論

        圖9所示為加工某時刻應(yīng)力分布。可知,在加工位置有最高的應(yīng)力值,在已加工表面也有一定的應(yīng)力分布,在未加工表面應(yīng)力很小。在加工位置應(yīng)力值已超過工件材料的屈服應(yīng)力,表明在加工位置已出現(xiàn)塑性變形。

        在加工過程中,工件內(nèi)的應(yīng)力分布發(fā)生變化,進行變形能儲存,在吸盤吸附釋放后,工件會通過變形進行應(yīng)力釋放從而重新達到平衡狀態(tài)。因此,工件變形與裝夾釋放前的應(yīng)力分布緊密相關(guān),通過仿真可以得到加工完成后裝夾卸載前的應(yīng)力分布,繪制直徑各點的應(yīng)力分布曲線,如圖10所示??芍?,在距圓心半徑6~8mm位置出現(xiàn)應(yīng)力較為集中的現(xiàn)象,這種應(yīng)力集中使超薄鋁在外環(huán)出現(xiàn)較大的變形。

        圖9 某時刻應(yīng)力分布Fig.9 Transient stress distribution

        圖10 裝夾釋放前的應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution before clamping

        分析得知,切削力與切削熱為影響裝夾釋放前工件應(yīng)力分布的主要因素。切削力、切削熱對已加工表面層應(yīng)力產(chǎn)生影響,法向切削力使已加工表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,切削熱則產(chǎn)生拉應(yīng)力[12]。切削熱與切削速度成正比,從外環(huán)到中心的切削過程中切削熱不斷下降。在切削速度較大的外環(huán)切削加工時,可認為切削熱對已加工表面影響更大。已加工表面應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,而靠近加工的中心位置時,切削力影響更大,已加工表面應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,中間必然存在拉壓應(yīng)力的過渡,使得工件在中間某半徑位置處出現(xiàn)應(yīng)力較為集中的現(xiàn)象。通過工件法向應(yīng)力進一步驗證,裝夾釋放前的法向應(yīng)力如圖11所示,可認為在距圓心8mm位置有拉壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變,影響了整個工件的應(yīng)力分布。因此,在加工過程中可通過減小主軸轉(zhuǎn)速,在工件整體應(yīng)力減小的基礎(chǔ)上,切削熱相較于切削力更多的減少,使工件應(yīng)力在整個切削過程中保持同一狀態(tài),可減少工件整體變形。

        圖11 裝夾釋放前的法向應(yīng)力分布Fig.11 Normal stress distribution before clamping

        5 結(jié)論

        (1)本文基于有限元分析,建立了用于預(yù)測超薄零件整體加工變形的仿真系統(tǒng)。對加工工藝向仿真系統(tǒng)轉(zhuǎn)換進行了研究,最大程度保證實際加工與仿真的一致性。并將實際加工后工件變形與仿真結(jié)果比較,確定了仿真系統(tǒng)模擬結(jié)果的準確性。

        (2)分析認為,工件外側(cè)較大變形主要與切削載荷有關(guān),切削載荷在工件已加工表面產(chǎn)生拉壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變,因此在該位置出現(xiàn)應(yīng)力較為集中的現(xiàn)象,從而影響整體應(yīng)力分布,產(chǎn)生變形?;谠撓到y(tǒng)對超薄零件加工后變形進行分析,其結(jié)果對改進加工工藝和減小工件變形具有指導(dǎo)意義。

        [1]RATCHEV S, LIU S, HUANG W. An advanced FEA based force induced error compensation strategy in milling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(5): 542-551.

        [2]HUANG X M, SUN J, LI J F. Effect of initial residual stress and machining-induced residual stress on the deformation of aluminium alloy plate[J]. Strojni?ki Vestnik-Journal of Mechanical Engineering, 2015,61(2):131-137.

        [3]YANG Y, LI M, LI K R. Comparison and analysis of main effect elements of machining distortion for aluminum alloy and titanium alloy aircraft monolithic component[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 70(9-12): 1803-1811.

        [4]趙威, 何寧, 武凱. 航空薄壁件的刀具偏擺數(shù)控補償加工技術(shù)[J]. 機械制造與自動化, 2002, 10(5): 18-20.

        ZHAO Wei, HE Ning, WU Kai. A NC compensation approach of machining aeronautical thin-walled workpiece by tilting tools[J]. Machinery Manufacturing and Automation, 2002, 10(5): 18-20.

        [5]MELKOTE S N, SIEBENALER S P. Prediction of workpiece deformation in a fixture system using the finite element method[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(1): 51-58.

        [6]張攀, 陳蔚芳. 薄壁件加工變形預(yù)測及主動補償方法[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2008, 30(3): 70-72.

        ZHANG Pan, CHEN Weifang. Deformation prediction in machining of thin-walled parts and an active method of compensation[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2008, 30(3): 70-72.

        [7]章正偉,百萬金.航空薄壁整體結(jié)構(gòu)件加工變形的有限元分析 [J].機械設(shè)計,2011,28(5): 92-96.

        ZHANG Zhengwei, BAI Wanjin. Finite element analysis of milling deformation of thin-walled aerospace monolithic structure parts[J]. Journal of Machine Design, 2011, 28(5): 92-96.

        [8]樓文明, 吳建軍, 康永剛. 薄壁工件銑削加工變形的預(yù)測[J].工具技術(shù), 2007, 41(5): 40-44.

        LOU Wenming, WU Jianjun, KANG Yonggang. Investigation on prediction method of surface deformation of thin-walled workpiece in peripheral milling[J]. Tool Engineering, 2007, 41(5): 40-44.

        [9]成群林. 航空整體結(jié)構(gòu)件切削加工過程的數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2006.

        CHENG Qunlin. Research on finite element simulation and experiment in machining aerospace monolithic component[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2006.

        [10]孫杰, 柯映林. 殘余應(yīng)力對航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的影響分析[J]. 機械工程學報, 2005, 41(2): 117-122.

        SUN Jie, KE Yinglin. Study on machining distortion of unitization airframe due to residual stress[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41(2): 117-122.

        [11]唐志濤. 航空鋁合金殘余應(yīng)力及切削加工變形研究[D]. 濟南: 山東大學, 2008.

        TANG Zhitao. Study on residual stress and machining deformation of aerospace aluminum alloy[D]. Ji’nan: Shandong University, 2008.

        [12]白萬金. 航空薄壁件精密銑削加工變形的預(yù)測理論及方法研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2008.

        BAI Wanjin. Study on deformation prediction theory and methods of the aerospace thin-walled components during precision milling process[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

        猜你喜歡
        有限元變形
        談詩的變形
        中華詩詞(2020年1期)2020-09-21 09:24:52
        新型有機玻璃在站臺門的應(yīng)用及有限元分析
        基于有限元的深孔鏜削仿真及分析
        基于有限元模型對踝模擬扭傷機制的探討
        “我”的變形計
        變形巧算
        例談拼圖與整式變形
        會變形的餅
        磨削淬硬殘余應(yīng)力的有限元分析
        基于SolidWorks的吸嘴支撐臂有限元分析
        亚洲一区二区三区高清视频| 国产午夜影视大全免费观看| 狠狠躁天天躁无码中文字幕图| 日本国主产一区二区三区在线观看| 中文字幕亚洲精品在线| 狠狠人妻久久久久久综合蜜桃| 中文字幕无码家庭乱欲| 99久久精品一区二区三区蜜臀| 日韩在线视频专区九区| 天天做天天爱夜夜爽女人爽| 国产精品久久毛片av大全日韩 | 国产午夜精品视频在线观看| 欧美精品国产综合久久| 国产精品99久久久久久宅男| 午夜无码片在线观看影院y| 久久伊人精品中文字幕有| 日产精品久久久一区二区| 亚洲熟女少妇一区二区| 日本护士一区二区三区高清热线| 尤物国产一区二区三区在线观看| 美女网站免费福利视频| 成人伊人亚洲人综合网站222| 女女同性av一区二区三区免费看| 白白发在线视频免费观看2| 毛片a级毛片免费观看| 99国产精品久久久蜜芽| 久久精品国产亚洲av沈先生| 国产av无码专区亚洲版综合| 毛片在线播放a| 亚洲国产AⅤ精品一区二区久 | 妓院一钑片免看黄大片| 国产精品乱子伦一区二区三区 | 久久精品国产亚洲AV成人公司| 人妻精品久久久一区二区| 久久黄色视频| 亚洲中文字幕无码永久在线| 一区二区特别黄色大片| 与漂亮的女邻居少妇好爽 | 国内a∨免费播放| 国产男女乱婬真视频免费| 亚洲一区二区三区2021|