（机械制造及其自动化专业论文）基于有限元法的易变形件高速铣削加工分析与研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的迅猛发展 航空工业 汽车工业和轻工业消费品生产均快 速增长 大量框架类和曲面类零件随之出现 伴随着对此类易变形零件的制造 技术要求也越来越高 在易变形零件的加工过程中 高速铣削工艺逐渐占据了 重要的位置 尤其主要运用于铝合金零件的加工 对高速铣削过程中的切削力 和切削温度进行研究 是分析加工过程的主要依据 对制定合理的零件加工工 艺有一定的指导作用 同时 有限元方法的引入 可利用计算机模拟仿真高速 铣削加工过程并以此为基础进行分析研究 因此 运用有限元方法研究易变形 零件的高速铣削过程具有可行性 并具有一定的理论研究意义和实践价值 本论文以金属切削原理 弹塑性变形理论和有限元基本理论等基础知识为 前提 针对医疗器械中易变形零件制造的特殊性 应用有限元软件a n s y s 9 0 对 高速铣削易变形件过程进行仿真研究 固定框架零件是一典型的易变形零件 其形状不规则 曲面多 在此易变形零件加工的具体过程中 毛坯的初始残余 应力 刀具对工件的作用和工件的装夹条件等因素都会对零件的加工质量产生 一定的影响 针对这些问题 运用a n s y s 9 0 软件建立合适的高速铣削加工有限 元模型 对铣削加工过程中不同铣削参数条件下切削力的变化进行分析 并运 用数值分析方法拟和切削力模型 并对此模型及模型系数进行显著性检验 在 此基础上 对高速铣削易变形框架零件过程中零件的变形及应力 应变情况作 出有限元仿真模拟 并对结果进行一定程度的分析 同时 对高速铣削过程温 度场进行理论分析与计算 并与高速铣削易变形零件温度场的有限元模拟仿真 结果进行比较 分析 通过计算机仿真的研究 可对高速铣削加工易变形零件 工艺参数的优化提供参考意见 最后就进一步的研究方向做出阐述 关键词 高速铣削 易变形件 切削力 切削温度场 有限元分析 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h ea v i a t i o ni n d u s t r y t h e l i 出i n d u s t r ya n ds oo nh a v eb e e ng r o w i n gr a p i d l y t h e nm a n y k i n d so ff r a m e w o r k p a r t sa n d 吼l r f a c ep a r t sa r ea p p e a r e d t h et e c h n o l o g yo f h i g hs p e e dm i l l i n gt h ee a s i l y d e f o m l a b l ep a r t sw i l lb em o r ea n dm o r ec o m p l e x e s p e c i a l l yi nm a n u f a c t u r i n gt h e a 1 啪i n 啪a l l o yp a r t s i nt h er e s e a r c ho fh i g hs p e e dm i l l i n gp r o c e s s t h ec u t t i n g t 0 r c e a n dm ec u t t i n gt e m p e r a t u r ea r ei m p o r t a n t w h i c ha r en o to n l yt h ef o u n d a t i o no f t h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h eh i g hs p e e dm i l l i n g b u ta l s oh a v e a i ll m p o r t a n t r o l ei nf o r m u l a t i n gar e a s o n a b l ep a r t sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e di nt h eh i g hs p e e dm i l l i n gp r o c e s s s o t h er e s e a r c ho f h i 曲s p e e dm i l l i n g t h ee a s i l yd e f o r m a b l ep a r t sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d1 s f e a s i b l ea 1 1 dh a sat h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a lv a l u e t h e 仔锄e w o r kp a r th a si r r e g u l a rs h a p e sa n di se a s i l yd e f o r m a b l e i nt h ep r o c e s s o fm a c l l i l l i n gt h ee a s i l yd e f o r m a b l ep a r t s t h em a c h i n i n gq u a l i t yw i l lb ei n f l u e n c e db y r c s a d u ls t r e s so fr o u g h c a s t t h ef o r c eb e t w e e nm i l l i n gc u r e ra n dw o r k p i e c ea n d t h e f i x t u r ec o n d i t i o n s o nt h eb a s i so fm e t a lc u t t i n gt h e o r ya n de l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c s t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sc o n s t r u c t e da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y z e t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e z o n e a n dt od i s c u s st h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o na n d t h et e m p e r a t u r eo ft h ec u t t i n gz o n e f u n l l 锄o r e m ec u t t i n gf o r c ef o r m u l ai sc o n s t r u c t e db yl i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s l s a n dt 坨c u t t i n gt e m p e r a t ez o n eo fh i g hs p e e dm i l l i n gt h ee a s i l yd e f o r m a b l ep a r t si s c a l c u l a t e di nt h e o r y t h e n b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h er e f e r e n c ef o rt e c h n i c sp a r a m e t e r so fh i g hs p e e dm i l l i n ge a s i l yd e f o r m a b l ep a r t s a r eg i v e n f i n a l l y t h ep r o b l e m so ff u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s h i g hs p e e dm i l l i n g e a s i l yd e f o r m a b l ep a r t s c u t t i n gf o r c e c u t t i n g t e m p e r a t u r e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 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等易变形零件的加工制定合理的高速铣削工艺规程提供理论依据 这方面工作 的研究在国内还处于起步阶段 但对提高易变形零件的制造质量和技术水平具 有重要意义 1 1 高速切削技术的特点与发展概况 高速切削 h i g h s p e e dm a c h i n i n g 简称h s m 理论是德国切削物理学家萨洛 蒙 c a r ls a l m o n 博士在1 9 3 1 年4 月提出的 高速切削是 个相对概念 根据 第1 章绪论 1 9 9 2 年国际生产工程研究会 c i r p 年会主题报告的定义 高速切削指切削速度 超过传统切削速度5 1 0 倍的切削加工 因此 根据加工材料的不同和加工方 式的不同 高速切削的切削速度范围也不同 一般认为 各种材料的高速切削 速度范围为 铝合金2 0 0 0 7 0 0 0 m m i n 铸铁9 0 0 3 0 0 0 m m i n 铜5 0 0 2 0 0 0 m m i n 钢6 0 0 2 0 0 0 m m i n 钛合金1 5 0 1 0 0 0 m m i n 超耐热镍合金 5 0 0 m m i n 纤维增强塑料2 0 0 0 一 9 0 0 0 m m i n 按加工方式的不同 高速切削包括 高速铣削 高速车削 高速钻孔等 其中高速铣削应用最广 高速铣削是近年来发展起来的一种先进的金属切削技术 是当今切削技术 的重要发展方向之一 高速铣削的显著特点是加工时间短 生产效率高 高速 铣削的材料去除率通常是常规的3 5 倍 刀具切削状况良好 切削力小 主轴 轴承 刀具和工件受力均很小 由于切削速度高 吃刀量很小 所以剪切变形 区窄 变形系数毛减小 切削力也降低大概3 0 一9 0 同时 由于切削力小 让刀量也小 因此提高了加工质量 同时刀具和工件受热影响小 切削产生的 热量大部分被高速流出的切屑所带走 故工件和刀具热变形小 也有效地提高 了加工精度 工件表面质量也得到了提高 由于高速铣削的特性 与常规切削 相比 其优点是显而易见的 应用也非常广泛i ij 1 铣削速度和进给速度的提高 可提高材料去除率 同时 高速铣削可加 工淬硬零件 许多零件一次装央可完成粗 半精和精加工等全部工序 对复杂 型面加工也可直接达到零件的表面质量要求 因此 高速铣削工艺往往可省去 电加工 手工打磨等工序 缩短工艺路线 进而大大提高加工生产率 2 高速铣床必须具备高刚性和高精度等性能 同时由于切削力小 工件热 变形较小 高速铣削的加工精度很高 轴向切削深度较小而进给速度较高 加 工表面的粗糙度小 同时切削中已加工表面形成压应力状态 可以提高工件加 工表面疲劳强度和耐磨程度 3 高速切削切削力小 传到工件切削热少 减少了工件变形 有利于生产 制造航空航天常见的大型结构件 特别是铝件的薄壁加工 目前已经可以加工 出厚度为0 i m m 壁高为几十毫米的成型曲面 4 高速铣削有利于使用直径较小的刀具 降低刀具费用 5 高速切削力小 有较高的稳定性 可高质量地加工出薄壁零件和脆性材 料零件 6 高强度和高硬度材料的加工也是高速铣削的一大特点 目前 高速铣削 2 第1 章绪论 已可加工硬度达h r c 6 2 的零件 可以钻l m m 以下的小孔 高速铣削允许在热处 理以后再进行切削加工 大大简化了模具制造工艺 7 由于效率提高 质量提高 工序简化等 虽然机床投资 刀具投资以及 维护费用有所增加 高速铣削工艺的综合经济效益仍有显著提高 高速铣削技术是切削加工的发展方向 随着c n c 技术 微电子技术 新材 料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶 然而 高速铣削技术自身也 存在着一些亟待解决的问题 如高硬度材料的切削机理 刀具在载荷变化过程 中的破损 建立高速切削数据库 开发适用于高速切削加工状态的监控技术和 绿色制造技术等 而且高速铣削所用的c n c 机床 刀具和c a d c a m 软件等 技 术含量高 价格昂贵 使得高速铣削投资很大 这在一定程度上制约了高速铣 削技术的推广应用 1 2 有限元技术在研究切削过程中的应用 1 2 1 研究高速切削过程的意义 金属切削加工是刀具和工件相对运动 去除工件上多余金属或余量以获得 合乎要求的零件的加工方法 切削力和切削温度是切削过程中重要的参数 切 削力的大小决定了切削过程中所消耗的功率和加工工艺系统的变形 还影响着 切削热的产生 同时切削过程中材料的变形和摩擦力所做的功 绝大部分都转 变为热量 并进一步影响刀具的磨损 刀具耐用度以及工件的加工精度和表面 质量 因此 切削力和切削温度对于研究切削机理 计算消耗功率 制定合理 的切削用量 优化刀具几何参数 都有重要意义 在高速切削机理研究中 切削力与切削温度的研究是至关重要的 高速切 削力对刀具的磨损 破损影响比普通切削力更大 高速切削温度的分布及其变 化规律是高速切削工艺分析的主要依据之一 所以 研究高速切削过程中切削 力和切削温度的变化规律有助于对切削过程中的切削参数进行优化控制 并指 导生产实际 因此 对不同高速切削条件下切削参数的变化规律做更深入的研 究和探讨具有及其重要的意义 1 2 2 有限元软件a n s y s 简介 3 第i 章绪论 上世纪8 0 年代以来 国际上出现很多有限元通用程序 其中著名的有 a n s y s n a s t r a n a d i n a s a p 等 这些有限元程序不断发展完善 不仅包含多 种条件下的有限元分析程序 而且带有功能强大的前处理和后处理程序 由于 有限元通用程序使用方便 计算精度高 其计算结果己成为各类工业产品设计 和性能分析的可靠依据 以a n s y s 为代表的有限元分析软件 不断汲取计算方 法和计算机技术的最新进展 将有限元分析 计算机图形学和优化技术相结合 可实现多场及多场耦合分析 并具有多物理场优化功能 强大的并行计算功能 并支持分布式并行及共享内存式并行 已成为解决现代工程学问题必不可少的 有力工具f 2 i 有限元软件a n s y s 9 0 是融结构 热 流体 电磁学和声学与一体的大型通 用有限元软件 该软件广泛用于核工业 铁道 石油化工 航空航天 机械制 造 能源 汽车交通 国防军工 电子 土木工程 造船 生物医学 轻工 地矿 水利 同用家电等一般工业及科学研究 该软件可实现的功能包括 结构 高度非线形分析 电磁分析 计算流体动力分析 设计优化 接触分析 自动 适应网络划分 大应变 有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言 a p d l 的扩 展宏命令功能1 2 在a n s y s 9 0 中 l s d y n a 程序的显示算法能快速求解各种二 维 三维非线性结构的高速碰撞 爆炸和金属成型等非线性问题 诸如瞬时大 变形动力学 多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题等 1 2 3 有限元技术在高速切削过程中的研究现状 切削过程的有限元法研究始于2 0 世纪7 0 年代早期 o k u s h i m a l 3j 1 9 7 1 年 k l a m e c k i1 4 j 1 9 7 3 年 通过建立计算机模型来预报特定切削参数下工件的变形 应力 应变 以及刀具的受力情况等 近年来 国际上对金属切削工艺的有限 元模拟研究不断深入 1 9 9 6 年 k i m 和s i n 5j 建立了一个有限元切削模型来预测 切削过程中切屑的流动 切削区中的应力和切削温度 1 9 8 8 年 j q x i e l 6j 使用 有限元方法建立一个二维的金属切削模型 并用修j 下后的平面应变条件的拉格 朗同公式来预测切屑形成 剪切角 切削力等参数 并将计算结果和实验数据 进行了比较 澳大利亚的l i a n g c h iz h a n g 1 7j 和美国的h u a n g j m 等人1 8 j 对j 下交 切削中的切屑分离准则进行了深入的分析和研究 台湾学者z o n e c h i n gl i n l 9j 等 人研究了n i p 合金的j 下交超精密切削过程中切削深度和切削速度对工件表面残 4 第1 章绪论 余应力的影响 日本的s a s a h a r a 1 0 j 等人在忽略切削温度和应变速率的情况下 模拟了低速连续切削时被加工表面的残余应力和应变 苌浩1 1 1j 等人对高速铣削 钛合金t c 4 的铣削温度进行了研究 得出了高速铣削加工中铣削温度随切削速 度的变化规律 周亿 梁锡昌1 1 2 j 通过对超高速铣削加工中切削区动态热力学行 为的计算和分析 推导了切削区温度场的分布模型 上海交通大学的陈明等人1 1 3 j 应用有限元法对高速铣削铝合金薄壁零件过程中工件与刀具接触面温度及工件 内部的温度分布进行了仿真 哈尔滨工业大学的谢大纲等人1 1 4 j 利用有限元方法 建立了麻花钻的有限元力学模型 对钻头的扭转刚度 弯曲刚度和受压刚度进 行了分析和计算 目前 有限元仿真技术对金属切削过程的研究仍处于发展阶段 大多只研 究切削过程的稳定阶段 对刀具切入 切出部分的研究不多 利用有限元法仿 真的结果对切削过程进行分析及优化的研究不多 我国在这方面的研究还不完 善 对高速铣削加工过程中切削力和切削温度的研究还没有成熟 有待于进一 步的研究和分析 在计算机技术飞速发展的今天 有限元仿真技术将成为会属 切削过程研究领域中的一个有效手段 将在金属切削加工技术的研究中发挥重 要的作用 1 3 易变形件加工过程中产生变形的原因 随着科学技术的迅猛发展 航空工业 汽车工业和轻工业消费品生产均快 速增长 大量框架类和曲面类零件随之出现 伴随着对此类易变形零件的制造 技术要求也越来越高 例如 在航空领域 为了减轻重量 飞机的结构设计中 采用了大量整体性结构框架部件 如机翼 机身整体大梁 整体加强框 整体 油箱等u 5j 本论文中作为研究对象的立体定向系统中的固定框架零件 是一典 型的铝合金易变形零件 在易变形框架类零件的加工工艺中 高速铣削工艺占 据的位置越来越重要 尤其主要应用于加工铝合金零件 这类零件进行机械加 工时装夹困难 材料去除量大 加之壁薄 工艺刚性差 加工周期长 材料热 膨胀等因素的影响 使已加工表面质量难以控制 易产生加工变形 同时 新 材料不断涌现 航空铝合金 镁合金 钛合金和复合材料的使用越来越广泛 对这些材料的各种属性了解不足 新型材料零件在加工过程中产生变形的机理 尚未完全掌握 对于如何解决易变形零件在加工过程中产生的变形问题仍有待 5 第1 章绪论 解决 易变形零件在加工过程中产生变形的原因很多 与毛坯的材质 零件的几 何形状以及生产条件 包括人 机床设备 工艺方法 环境等因素 都有关系 但主要有以下几个方面1 1 6 j 1 毛坯的初始残余应力 1 毛坯本身的不平整误差 将反映在加工后的零件上 2 毛坯经过热成形后 冷却过程中产生内应力 切削后内应力重新分布引 起变形 3 零件经过切削后 截面尺寸和形状变化也会导致内应力分布的变化 从 而引起变形 2 刀具对工件的作用 1 切削力 刀具的切削分力 使零件表面在弹性恢复后产生不平度 2 切削热 在切削过程中 为克服材料的弹性变形 塑性变形和刀具与工 件之间的摩擦所做的功 大部分转化为切削热 造成零件各部位温度不均 使 零件产生变形 3 残余内应力 加工后的残余内应力重新分布 将使加工好的零件变形 3 工件的装夹条件 1 因薄壁零件刚性差 加工时夹 压的弹性变形将影响工件表面的尺寸精 度和形状 位置精度 2 因加紧力与支承力的作用点选择不当 会引起附加应力 图1 1 影响易变形4 i 加i 过程中变形产生的原冈 6 第1 章绪论 除此之外 机床 加工环境的温度 刀具的磨损 零件冷却散热情况等等 因素对零件的变形也都有一定的影响 图1 1 较为详细地列举了影响易变形零 件加工过程中变形产生的各种原因 1 4 课题来源和课题主要研究工作及内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于上海医科达医疗器械有限公司 基于对立体定向系统中的固 定框架零件加工工艺的研究 结合同济大学现代制造研究所长期的n c 加工经验 针对框架零件在加工过程中普遍存在易变形的问题 运用有限元分析方法 建 立合适的模型对高速切削加工机理中的切削参数进行分析 对此类零件的加工 工艺提出改进意见 伽玛刀是世界上最先进的医疗设备之一 l e k s e l l 立体定向系统是伽玛刀的 重要组成部分 固定框架是立体定向系统中的一个重要零件 是一典型易变形 的铝合金框架零件 此零件用来固定病人头部 一方面需要满足医疗要求 另 一方面要符合人机工程学 不能影响病人的口鼻操作 固定框架零件为一弧形 框架零件 此零件与其他部件连接的接口处有位置度和尺寸公差要求的孔 零 件的一个底面轮廓为直纹扭曲面 在加工过程中至少需要采用四轴铣床加工 此外 框架工件的径向刚度很差 加工时在切削力 夹紧力和材料内应力的共 同作用下极易产生变形 对于易变形零件的机械加工过程 国内外学者都做了 大量研究与分析 在控制零件变形方面取得一定成果 把有限元分析方法运用 于高速铣削加工过程 能更完善这方面的研究工作 因此 应用有限元法建立 合适的有限元模型 可对高速铣削加工过程的切削力 切削温度进行研究 通 过计算机仿真研究 可对高速铣削加工易变形零件工艺参数的优化提供参考意 见 具有一定的理论研究意义及实践价值 1 4 2 课题主要研究工作及内容 本论文以金属切削原理 弹塑性变形理论和有限元基本理论等基础知识为 前提 针对医疗器械中易变形零件制造的特殊性 应用有限元软件a n s y s 9 0 对 7 第1 章绪论 高速铣削加工过程进行有限元仿真研究 固定框架零件是一典型的易变形件 在其切削加工的具体过程中 毛坯的初始残余应力 刀具对工件的作用和工件 的装夹条件等因素都会对零件的加工质量产生一定的影响 针对这些问题 运 用a n s y s 9 0 软件建立合适的铣削加工有限元模型 可对铣削加工过程的切削力 切削温度进行研究 通过计算机仿真研究 对高速铣削加工框架零件工艺参数 的优化提供参考意见 最后总结出研究报告 为今后高速铣削加工易变形零件 的进一步研究提供依据 研究的技术路线和方法 1 对易变形框架零件高速铣削加工工艺进行研究 分析易变形零件产生变 形的原因及控制方法 2 掌握高速切削理论 有限元基本理论和弹塑性变形理论 运用有限元软 件a n s y s 9 0 建立高速铣削加工过程的有限元模型 对高速铣削加工过程中切削 力的变化规律进行分析 研究 在此基础上运用数值分析方法建立切削力的数 学模型 3 分析易变形框架零件高速铣削加工工艺特点 运用a n s y s 软件对高速铣 削易变形框架零件过程中零件的变形及易变形面的应力 应变变化情况进行有 限元仿真分析与研究 4 运用热源法分析计算高速铣削过程中的传热学温度场 建立高速铣削温 度场的温度的解析解 5 运用有限元软件a n s y s 9 0 建立易变形框架零件的有限元分析热力学模 型 基于前述对切削力的计算与分析 确定合理的力学参数和热力学参数 分 析框架零件在不同切削参数下的温度场变化情况 6 结合有限元分析结果和理论计算结果 对高速铣削易变形框架零件加工 工艺的制定提供一定的参考 8 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 2 1 有限元软件的仿真过程 有限元仿真技术是以数学 力学等学科为理论基础 借助于计算机技术而 发展起来的一项数值模拟方法 通过有限元仿真 可对许多工程中的实际问题 进行数学模拟 从而加快了设计的速度 提高了设计的可靠性 有限元法的基 本思想是 1 7 1 先将研究对象划分成有限个微元素 并认为在每个微元素内部各点 的物理量 如应力 应变 温度等 是相等的 各元素之间通过联接节点传递信 息 划分微元素的方式和个数 根据具体研究对象的几何性质 边界条件 计 算精度要求而定 由于单元的数目是有限的 节点的数目也是有限的 所以称 为有限元法 该方法的优点在于 只要改变单元的数目 就可以使解的精度改 变 得到与真实情况无限接近的解 单元划分的疏密直接决定着计算结果的精 确与否 利用有限元软件进行仿真的过程图如图2 1 所示 r 一 一1 i l u g 或c a d 娌立 几何模型 改饔耋数 广 翮 运算阡 呸母印i 卜i 栅过程 i 广 j 1 i l l 望全鍪鲨委竺 i l 一 一 二二圭二 二 一镊髓们卜 仿真过程 一一一 r 一1 出并分析仿真结果l 一 i i 一i 对骄靛繇整i 卜 理和图形显示i 厂 一 i 图2 1 有限元法仿真过程图 后处理过程 金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程 是指刀具从工件表面切除多 余的金属材料 并在保证高生产率和低成本的前提下 使工件得到符合技术要 9 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 求的形状 尺寸精度和表面质量的加工方法 金属切削过程一个非常复杂的非 线性过程 材料属性 工件行为及刀具与工件的接触状态都是非线性变化的 要对切削区进行有限元仿真分析涉及到金属切削原理 弹塑性力学 传热学和 有限元理论等很多方面的内容 在本论文中 运用有限元软件a n s y s 9 0 对金属 切削过程进行建模 加载 计算和分析 均围绕着非线性分析进行 其中较为 关键的部分是对已建立的模型进行非线性计算 由于非线性结构的行为不能直 接用线性方程求解 a n s y s 程序的方程求解器可通过建立一系列带校j 下的线性方 程近似来求解非线性问题1 1 8 j 2 2 高速铣削过程的有限元模型 铣削是目前高速切削应用的主要工艺 是一种用单齿或多齿刀具进行的断 续切削 在铣削加工中 切削速度为铣刀刀刃的圆周速度 铣刀连续旋转 实 现铣削过程 高速铣削具有高的铣削速度 适当的进给量 小的径向和轴向铣 削深度 相对常规加工 高速铣削加工工艺具有显而易见的优点 在许多领域 均取得了成功的应用 铣削常用的铣刀一般可分为端面铣刀 圆周铣刀 平头立铣刀和球头铣刀 等 铣削过程中加工工件的切削过程是最常见的三维切削 铣刀的切削刃与切 削方向不垂直 多个刀刃同时参与切削过程 并且由于切削刃不是直线 沿切 削刃的切削厚度也是不同的 每一次切削刃作用于工件实现切削都是典型的斜 角切削过程 切屑的生成机理均表现为三维切削的变形 在此基础上对金属切 削过程进行严格的分析是困难的 在预测高速铣削过程中切削力的大小时 尽 管实际的加工过程是三维斜角切削 并且切削力是随着切削层厚度的变化而不 断变化的 但是将切削厚度沿时问或沿刀具的转角进行适当的离散 经过离散 后每个离散段可近似看作是二维正交切削过程 采用这种简化方法 尽管忽略 了某些次要因素 却突出了金属加工过程中的主要问题 在很大程度上较好的 反映了金属切削的本质特性 同时也更方便有限元模型的建立 可以对切削力 进行分析计算 尤其在前角 切削速度 切削厚度等影响方面的分析 都可以 从二维j 下交切削模型中进行推算 2 2 1 高速铣削模型的假设条件 l o 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 由上所述 高速铣削过程经离散后可近似看做二维正交切削过程 在正交 切削过程中 刀具的切削刃与切削速度方向垂直 切削宽度远大于切削厚度 正交切削模型是一种最基本的切削过程分析模型 本论文以正交切削模型为切 入点 运用有限元软件a n s y s 9 0 建立刀具和工件的几何模型 进行网格划分 设定切削参数来真实的模拟出切削的整个过程 从而得出切削力的变化 研究 高速切削过程变化的基本规律 对今后三维斜角切削模型的建立具有借鉴价值 同时对易变形零件加工的实际生产也具有一定的指导意义 正交切削模型的建立 需要在抓住切削变形本质现象的基础上忽略一些次 要因素 建立简化的物理模型 本论文做出如下四点基本假设 1 切削过程完全处于正交切削状态 切削层中的塑性变形只发生在垂直于 切削刃的平面内 此时垂直于切削刃的各个不同截面内具有相同的应力应变关 系 可任取其中一个截面进行研究 2 工件材料为理想弹塑性体 并且是均匀连续的 各向同性的 不可压缩 的 切屑的塑性流动过程连续且稳定 变形的位移和速度都是时间和坐标的连 续函数 只作变形的几何性质研究即可 3 切屑的塑性流动只发生在单一剪切平面内 将实际上具有一定厚度的剪 切区 即第一变形区 简化为一个剪切面 4 忽略实际加工过程中由于温度变化而引起的金相组织及其他的化学变 化 刀具切削 速度方向 图2 2 高速正交切削模型 根据以上假设可以建立如图2 2 所示的正交切削模型 图中阴影部分表示 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 三个切削变形区 各个区域的应力应变特征如下 1 第一变形区 在高速 高压的作用下 工件切削层一方面受到前刀面的 推挤 另一方面又受到工件基体的牵制 结果使该区域的材料受到强烈的剪切 作用而发生剪切滑移变形 并随之发生变形强化 2 第二变形区 切削层材料经第一变形区的剪切滑移后沿前刀面流出 切 屑底层金属受到前刀面挤压与之发生强烈的摩擦 使前刀面受到复杂而剧烈的 摩擦力 该摩擦力作用方向与前刀面平行而与切屑流出速度方向相反 使得切 屑流出速度放慢 又反过来影响第一变形区 3 第三变形区 被切削层材料与工件断裂分离后 上部分材料经第一 二 变形区成为切屑 下部分材料在第三变形区经刀具后刀面熨压作用形成工件已 加工表面 刀具后刀面受到摩擦力作用 但与其它两个变形区的受力相比可忽 略 2 2 2 高速铣削过程有限元模型的建立 高速铣削过程的材料行为 刀具与工件的接触状态等都是非线性过程 因 此 在建立高速切削过程的有限元模型中 建模 加载和分析计算等都是围绕 着非线性进行的 1 应用有限元软件a n s y s 9 0 的前处理器建立切削加工模型 在有限元软件a n s y s 9 0 中 将需要分析对象的几何图形在前处理器中画出 并进行网格划分就完成了有限元建模的过程 同时还可在有限元模型边界上施 加载荷及边界条件等 对于二维正交切削 本论文运用有限元软件a n s y s 9 0 建立了平面图形的有 限元模型 见图2 3 刀具几何参数为 前角y 1 0 后角口 1 5 定义有限 元单元类型为v i s c 0 1 0 6 和p l a n e l 8 2 通过网格划分功能将工件和刀具进行网格 划分 并建立切屑与加工表面问的初始联系 1 2 第2 章高速铣自0 过程的有限元仿真及分析研究 图23 二维止交切削的有限元模型 2 基于塑性理论建立材料模型 基于对塑性理论和盒属切削过程的分析 在金属切削过程中 材料的行为 是非线性的 因此正确确定材料的构成模型是成功地模拟高速切削过程的关键 因素之一 a n s y s 在建立材料模型时主要考虑三个方面 即屈服准则 流动准则 本构 方程 强化准则 a n s y s 通用的屈服准则是v o nm i s s s 屈服准则 本构方程选 取列维一米塞斯方程 强化准则是描述初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎 样发展的 a n s y s 90 提供了一系列强化准则选项 经过比较 选用多线性等向 强化 m i s o 来构造应力应变曲线 选用多线性等向强化建立材料模型的步骤如 下 1 定义弹性模量 2 定义m i s o 数据表 3 为输入的应力应变曲线指定温度值 4 输人应力一应变数据 5 画材料的应力一应变曲线 本论文中的研究对象是医疗器械中的固定框架零件 给定零件材料是 f o r t a lh r 铝合金 基于国内实际加工情况 为了保证零件的质量要求 工件材 料选为牌号6 0 6 3 的铝合金 依据被加工材料的属性 刀具选为t i n 涂层硬质合 金材料 在高速切削过程中 刀具在切削过程中只进行弹性分析 不涉及塑性 问题 所以刀具材料不必输入应力应变曲线 而工件材料由于在切削过程中既 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 有弹性变形 又有塑性变形 最终被撕裂而形成切屑 所以必须建立一个正确 的应力应变关系才能完成切削过程 对于t i n 涂层硬质合金的刀具材料 其弹 性模量e 6 3 0 6 p a 泊松比 0 3 对于6 0 6 3 铝合金材料 其弹性模量e 6 8 3 g p a 泊松比 0 3 3 极限应力 屈服应力为盯 2 1 4 m p a 极限变形2 0 屈服应 变占 3 1 0 0 膳 根据以上分析的材料模型 其应力一应变曲线如下图2 4 所示 图2 4 工件材料的应力一应变曲线 3 网格划分在切削过程中的实现 网格划分是有限元模拟的基础 它关系到有限元计算的速度和精度 以至 计算的成败 要在遵循基本原则的基础上 适时进行网格重划分 以保证仿真 的顺利进行 划分网格时首先要考虑网格数量 数量越多划分得越细密 分析 精度越高 但计算规模也将成倍增加 同时也要注意网格疏密 在结构中应力 应变集中和变化比较剧烈的部位 网格宜划分得密一些 其它部位可稀疏一些 并且 疏密网格过渡时尺寸的变化不能太突然 以避免出现畸形或质量较差的 网格 可以采用三角形网格过渡不同大小的四边形网格 具体到会属切削过程 它是一个典型的局部变形 随着刀具的进给 刀刃 附近正在被加工的部分应该实现网格细划 其他部分网格应该加粗 这样既保 证了局部变形的求解精度 又节省了求解时间和内存消耗 在切屑成形过程中 随着刀具的移动 工件单元的节点坐标丌始逐次修正 单元丌始变形 对于金 属切削这样典型的高梯度问题 局部区域内材料产生的高温和大变形会导致网 格性能的降低 影响求解精度甚至导致计算无法继续 解决这一问题的方法是 当网格变形到一定程度后 停下来重新划分适合于计算的网格 然后再继续计 算 判断网格何时重分的依据是单元畸变和刀具与工件的干涉1 1 9j 刀具与工件 1 4 第2 章高速铣削过释的有限元仿真及分析研究 发生干涉是指工件边界某一单元的面进入了刀具中 如下图2 5 所示 当这种 干涉达到一定程度时将严重影响计算精度 造成干涉的原因是由于工件边界与 刀具表面的相对运动 以及有限元网格在刀具圆角处不够致密 图2 5 刀具与 t 件的干涉 如果网格中只有小部分单元发生严重畸变或干涉 而大部分单元质量较好 可以先只对这些单元进行局部调整 调整的方法包括调整某些单元的位置 在 单元的边界或面上增加新节点 以及局部网格细分 当调整无效或畸变单元较 多时 在旧网格所定义的工件下进行网格重分 然后把旧网格内的模拟信息 包 括应变 温度场 接触信息等 转换到新网格内 论文所使用的有限元软件a n s y s 9 0 拥有较成熟的自适应网格重分技术 把 密集的网格集中在切削刃附近的求解区域罩 并且在模拟过程中动态实现切削 区域内的网格重新生成 这样不仅可以大量减少单元的数量 加快求解速度 而且由于网格的不断重新划分 可以避免在切削加工过程中生成畸形网格 防 止计算过程发散 提高计算精度 4 接触类型选择及创建 接触问题有两种基本类型 刚体对柔体的接触 柔体对柔体的接触 在金 属切削中 由于刀具的强度远比工件的强度高 因此刀具一般被视为弹性体 而工件则被当作弹塑性体 故这罩我们将切削中的接触定为刚体对柔体的接触 问题 这与实际的切削过程是相吻合的 a n s y s 9 0 提供了三种接触方式 点一点 点一面 面一面的接触 对于不 同的接触方式 a n s y s 又提供了不同的接触单元 以对所解决的问题分类处理 在刀具与切屑底层的接触中 可以看作是一个典型的面一面接触 面一面接触 15 第2 章高速铣削过程的有限元仿真及分析研究 是通过覆盖在分析模型接触面之上的一层接触单元来实现的 下面就面一面接 触单元的一些特征作一些说明 刚体一柔体的面一面接触单元有两类 一类是目标单元 它覆盖在刚性面 接触区 另一类是接触单元 它覆盖在柔性面接触区 在本论文中 目标单元 选择t a r g e t l 6 9 接触单元选择c o n t a c t l 7 2 一个目标单元和一个接触单元叫 做一个 接触对 程序通过一个共用的实常数号来识别 接触对 面一面接 触单元支持低阶和高阶单元 支持有大滑动和有摩擦的大变形 并且对刚体表 面的形状没有限制 对于大多数接触问题 都可以通过接触向导来建立接触对 在建立接触对 之前 应给可能成为接触面的所有部分划分网格 如果希望建立刚体一柔体的 接触模型 那么在进入接触向导之前 只需给可能成为柔体接触面的部分划分 网格 在金属切削模型中 应定义两对接触对 一对是刀具前刀面和切屑底层 另一对是刀具后刀面和己加工表面 在两对接触对中 刀具前刀面和后刀面为 目标单元 而切屑底部和已加工表面为接触单元 通过接触向导定义接触对很 方便 一些接触参数可以通过接触选项来设定 例如摩擦控制选项等 5 摩擦类型的选择 在盒属切削加工过程中 摩擦热的产生与切屑的形成和刀具的运动有密切 的关系 如果前刀面的摩擦设置不当 不仅导致第一变形区的剪切滑移将加剧 而且影响第二变形区 切屑进一步受到前刀面挤压和摩擦的区域 的变形 所以j 下 确建立刀具与工件之间的摩擦关系是金属切削仿真是否成功的关键技术之一 大量实验证明 前刀面上的应力分布是不均匀的 在前刀面上可以分为两个工 作区 滑动区和粘结区 在滑动区 由于j 下应力小所以摩擦较小 属于外摩擦 而在粘结区 由于刀具前刀面和切屑问的高温高压 使得前刀面和切屑之间变 为内摩擦 内摩擦实际上就是金属内部的剪切滑移 它与材料的流动应力特性 以及粘结面积大小有关 所以其变化规律与外摩擦不同 如图2 6 所示 在本 论文计算机仿真过程中 建立基于c o u l o m b 摩擦定律的模型 其方程为 2 0 j 2 1 j l2 r 2 l a o 当 仃 p r e p r o c e s s o r c o u p l i n g c e q n c o u p l ed o f s 在生成一个耦合节点集之后 通过执行一个另外的耦合操作 保证用相同的 参考编号集 将更多节点加到耦合集中来 也可用选择逻辑来耦合所选节点的相 应自由度 用c p 命令输入负的节点号来删除耦合集中的节点 要修改耦合自由 度集 即增 删节点或改变自由度标记 可用c p n g e n 命令 7 非线性计算分析 高速切削加工过程的有限元模拟仿真较为关键的部分是对已建立的模型进 行非线性计算 引起结构非线性的非线性行为很多 主要有三种 状态非线性 包括接触 几何非线性和材料非线性 a n s y s 程序的方程求解器通过计算一 系列的联立线性方程来预测工程系统的响应 但非线性结构的行为不能直接用 线性方程求解 需要一系列的带校j 下的线性近似来求解非线性问题 一般的近似非线性求解将载荷分成一系列的载荷增量 可以在几个载荷步 内或一个载荷的几个子步内施加载荷增量 在一个增量求解完成后 继续进行 下一个载荷增量之前 程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化 但这 样会带来累积误差 a n s y s 程序提供的牛顿一拉普森平衡迭代克服了这种困难 在每次求解前 牛顿一拉普森方法估算出残差矢量 然后使用非平衡载荷进行 线性求解 且检查收敛性 并且程序还提供了一系列命令来增强问题的收敛性 如自适应搜索 线性搜索 自动载荷步及二分法等 在计算前可有选择地激活 这些选项来加强问题的收敛性