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一種隔框類整體結構件優化切削路徑的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510523030.5

申請日:

2015.08.24

公開號:

CN105069249A

公開日:

2015.11.18

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150824|||公開
IPC分類號: G06F17/50; G06Q10/04(2012.01)I 主分類號: G06F17/50
申請人: 北京星航機電裝備有限公司
發明人: 李紅衛; 師智斌; 李永學; 龔志強; 蘇宏華; 何臨江
地址: 100074北京市豐臺區云崗東王佐北路9號
優先權:
專利代理機構: 中國兵器工業集團公司專利中心11011 代理人: 劉東升
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510523030.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.27|||2015.12.16|||2015.11.18

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種隔框類整體結構件優化切削路徑的方法,屬于現代結構設計和制造技術領域,解決了對隔框類整體結構件的加工過程中的切削路徑進行優化的問題。該方法包括以下步驟:(1)對隔框類整體結構件單個隔框建立有限元模型,加載初始內應力;(2)對單個隔框進行動態切削仿真,得到優化的切削路徑;(3)對隔框類整體結構件建立有限元模型,并加載初始內應力;(4)對整個隔框進行動態切削仿真,得到優化的切削路徑;此方法采用動態切削仿真的切削路徑優化的方法,能夠在實際加工零件之前進行提前分析預測,優化切削路徑,從而調整相應的加工策略,有效控制加工變形,縮短零件的生產周期,降低生產成本。

權利要求書

1.一種隔框類整體結構件優化切削路徑的方法,其特征在于,該方法包括
以下內容:
1)根據該零件的結構特點,將零件的隔框進行劃分成為單個隔框;
確定動態切削仿真方法:首先確定工件材料被去除的區域作為將要切除的單
元,并將這部分單元設為一個“集合”,設定的集合按照指定順序一步一步依次
去除;
2)單個隔框的刀具路徑優化方法,包括以下步驟:
2.1制定的不同切削路徑;每一次選擇一種切削路徑;
2.2對單個隔框的毛坯建立有限元模型,賦予材料屬性并加載初始殘余應
力,加載初始殘余應力的步驟包括:測量毛坯表面殘余內應力、計算毛坯內部
殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力;
毛坯表面殘余應力的測量采用鉆盲孔法測量;
毛坯內部殘余內應力利用裂紋柔度法計算;得到的應力值滿足下述兩個應力
公式:
- h / 2 h / 2 σdx = 0 , - h / 2 h / 2 σx dx = 0 , ]]>
其中,x′為從毛坯中性面到表層的厚度坐標,σ為厚度為x′時的應力值,h
為毛坯總厚度;
毛坯整體殘余內應力沿厚度方向均勻分布,在有限元建模時,根據工件的實
際尺寸,將有限元網格沿厚度方向劃分為若干層,再逐層添加殘余應力;
2.3使用所述的動態切削仿真方法,按照制定的不同切削路徑中的一種切削
路徑切除材料,直至加工出單個隔框,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應
力共同作用下單個隔框的變形量;
2.4對于隔框的每一種切削路徑,重復實施步驟2.3;
比較不同的切削路徑的加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零
件的變形量,選出變形量最小的一種切削路徑,即為最優切削路徑;
3)整個隔框類結構件刀具優化路徑方法,包括以下步驟:
3.1制定不同的隔框加工順序;每一次選擇一種隔框加工順序;
3.2對整個隔框類結構件的毛坯建立有限元模型,賦予材料屬性并加載初
始殘余應力:加載初始殘余應力的步驟包括:測量毛坯表面殘余內應力、計算
毛坯內部殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力,每個步驟的方法與步驟2.2
實現方法一致;
3.3用所述的動態切削仿真方法,在步驟2.4單個隔框的刀具路徑優化的基
礎上,按照單個隔框的刀具路徑優化路徑加工單個隔框,按照制定的不同的隔
框加工順序作為動態切削仿真方法的指定順序切除材料,加工出整個隔框類結
構件,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零件的變形量;
3.4對于每一種隔框加工順序,重復實施步驟3.3;
比較不同的切削路徑的加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零
件的變形量,選出變形量最小的一種切削路徑,即為最優切削路徑。

說明書

一種隔框類整體結構件優化切削路徑的方法

技術領域

本發明屬于現代結構設計和制造技術領域,涉及使用動態切削仿真技術對
隔框類整體結構件的加工過程中的切削路徑進行仿真優化的方法。

背景技術

在現代結構設計和制造領域,為了降低結構件重量,又要提高結構強度,
廣泛采用隔框類整體結構件。隔框類整體結構件在實際加工中超過95%的坯料都
被銑削加工以切屑的形式去除,在加工過程中,毛坯初始殘余應力釋放及機加
工應力共同作用,將導致薄壁結構件發生整體彎曲、扭曲或彎扭組合變形。隔
框類整體結構件加工變形十分復雜且難以控制。又由于隔框類整體結構件結構
復雜,壁薄,加工精度要求高等特點,采用傳統的加工工藝往往造成較大的加
工變形問題,難以保證結構件的加工質量。

通過對弱剛性隔框類結構件開展數控加工的切削路徑仿真及優化研究,尋
求和探索其加工變形的機理和規律,并提出相應的解決方案,形成復雜弱剛性
隔框類結構件加工變形的控制技術,不但能夠滿足現場加工的需求,為現場加
工制定優化的加工工藝提供理論指導,還能夠為這類結構件的加工變形控制提
供理論依據和可借鑒的方法,以有效地控制加工變形。然而,當前對刀具切削
路徑的優化的研究集中于算法和軌跡仿真方面,對毛坯到零件整個過程中不同
切削路徑所造成的累積加工變形問題研究較少。現需要一種方法能夠反映毛坯
到零件整個過程中不同切削路徑所造成的累積加工變形。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供一種隔框類整體結構件優化切削路徑的方
法,該方法是基于動態切削仿真的優化切削路徑的方法,優化加工隔框類結構件
的刀具切削路徑,以有效減小弱剛性隔框類結構件加工變形,提高加工質量。

本發明有通過以下技術方案實現:一種隔框類整體結構件優化切削路徑的
方法,該方法包括以下內容:

1)根據該零件的結構特點,將零件的隔框進行劃分成為單個隔框;確定動
態切削仿真方法:首先確定工件材料被去除的區域作為將要切除的單元,并將
這部分單元設為一個“集合”,設定的集合按照指定順序一步一步依次去除;

2)單個隔框的刀具路徑優化方法,包括以下步驟:

2.1制定的不同切削路徑;每一次選擇一種切削路徑;

2.2對單個隔框的毛坯建立有限元模型,賦予材料屬性并加載初始殘余應
力,加載初始殘余應力的步驟包括:測量毛坯表面殘余內應力、計算毛坯內部
殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力;

毛坯表面殘余應力的測量采用鉆盲孔法測量;

毛坯內部殘余內應力利用裂紋柔度法計算;得到的應力值滿足下述兩個應力
公式:

- h / 2 h / 2 σdx = 0 , - h / 2 h / 2 σx dx = 0 , ]]>

其中,x′為從毛坯中性面到表層的厚度坐標,σ為厚度為x′時的應力值,h
為毛坯總厚度;

毛坯整體殘余內應力沿厚度方向均勻分布,在有限元建模時,根據工件的實
際尺寸,將有限元網格沿厚度方向劃分為若干層,再逐層添加殘余應力;

2.3使用所述的動態切削仿真方法,按照制定的不同切削路徑中的一種切削
路徑切除材料,直至加工出單個隔框,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應
力共同作用下單個隔框的變形量;

2.4對于隔框的每一種切削路徑,重復實施步驟2.3;

比較不同的切削路徑的加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零
件的變形量,選出變形量最小的一種切削路徑,即為最優切削路徑。

3)整個隔框類結構件刀具優化路徑方法,包括以下步驟:

3.1制定不同的隔框加工順序;每一次選擇一種隔框加工順序;

3.2對整個隔框類結構件的毛坯建立有限元模型,賦予材料屬性并加載初
始殘余應力:加載初始殘余應力的步驟包括:測量毛坯表面殘余內應力、計算
毛坯內部殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力,每個步驟的方法與步驟2.2
實現方法一致;

3.3用所述的動態切削仿真方法,在步驟2.4單個隔框的刀具路徑優化的基
礎上,按照單個隔框的刀具路徑優化路徑加工單個隔框,按照制定的不同的隔
框加工順序作為動態切削仿真方法的指定順序切除材料,加工出整個隔框類結
構件,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零件的變形量;

3.4對于每一種隔框加工順序,重復實施步驟3.3;

比較不同的切削路徑的加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零
件的變形量,選出變形量最小的一種切削路徑,即為最優切削路徑。

本發明的技術效果是:

能夠反映毛坯到零件整個過程中不同切削路徑所造成的累積加工變形,優
化加工隔框類結構件的刀具切削路徑,以有效減小弱剛性隔框類結構件加工變
形,提高加工質量。此方法采用動態切削仿真的切削路徑優化的方法,能夠在
實際加工零件之前進行提前分析預測,優化切削路徑,從而調整相應的加工策
略,有效控制加工變形,縮短零件的生產周期,降低生產成本。

附圖說明

圖1a為實例所需加工零件圖的主視圖;

圖1b為實例所需加工零件圖的左視圖;

圖2a為單面槽腔零件的主視圖;

圖2b為單面槽腔零件的左視圖;

圖3為殘余應力分布圖;

圖4a為腹板加工內環走刀方式示意圖;

圖4b為腹板加工外環走刀方式示意圖;

圖4c為腹板加工之字走刀方式示意圖;

圖4d為腹板加工并進走刀方式示意圖;

圖5為對稱銑削示意圖;

圖6為環形銑削示意圖圖;

圖7為順序銑削示意圖;

圖8為基于動態切削仿真的隔框類結構件的優化切削路徑流程圖。

具體實施方式

下面對基于動態切削仿真的優化切削路徑方法做詳細說明。

(1)動態切削仿真方法

在有限元仿真分析過程中,為了能夠實時地動態模擬出材料的切削過程以
及零件的局部剛度的變化,需要用到“單元生死技術”。“單元生死”即為在
工件材料即將被去除的區域,將這塊區域的劃分網格并將網格單元在特定的時
間(某個分析步)內刪除,“死”單元對計算模型不提供任何剛度,這樣就可以
按照切削的路徑,一步一步將所要切除的單元按照指定順序依次去除。在模擬
工件材料切除的過程中不僅要將所要切除的材料以單元生死的形式去除,同時
也要對已去除材料的表面施加相應的切削力以模擬真實的切削加工過程。因此
“單元生死技術”完全可以應用于待加工零件,單元的切除與否可用單元的“生”
與“死”來模擬。

零件切削過程中的“單元生死”過程大致如下:首先選取將要切除的那
部分單元,并將這部分單元設為一個“集合”,之后設定該集合可以按照切削的
路徑,一步一步將所要切除的單元按照指定順序依次去除。

由于切削過程中大量的材料被切除,為了模擬這一過程必須在切削仿真過
程中依次去除這些單元,由于單元需要被依次去除,因此也須設定大量的“生
死單元”,并對去除材料后的已加工表面施加與之相對應的載荷。其操作過程很
繁瑣,且工作量極大。針對這一問題,通過對仿真軟件的二次開發,利用CAM
軟件生成的刀具軌跡和仿真軟件提供的接口編寫腳本或子程序。在仿真過程中
通過運行腳本或子程序,實現所有單元生死和加載力的循環操作,以提高效率、
減輕工作量。

(2)單個隔框的刀具路徑優化

2.1制定的不同切削路徑,如內環走刀、外環走刀、之字走刀和并進走刀。

2.2對單個隔框的毛坯建立有限元模型,賦予材料屬性并加載初始殘余應
力。

加載初始殘余應力的步驟包括:測量毛坯表面殘余內應力、計算毛坯內部殘
余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力;毛坯表面殘余應力的測量采用鉆盲孔

法測量,毛坯內部殘余內應力利用裂紋柔度法計算,應力值滿足公式

- h / 2 h / 2 σdx = 0 , - h / 2 h / 2 σx dx = 0 , ]]>

其中,x′為從毛坯中性面到表層的厚度坐標,σ為厚度為x′時的應力值,h
為毛坯總厚度;

毛坯整體殘余內應力根據“力平衡、力矩平衡”的原則進行加載,即毛坯整
體殘余內應力沿厚度方向均勻分布,在有限元建模時,根據工件的實際尺寸,將
有限元網格沿厚度方向劃分為若干層,再逐層添加殘余應力。

2.3使用動態切削仿真方法,按照制定的不同切削路徑中的一種切削路徑切
除材料(指定順序依次去除即為按照制定的不同切削路徑中的一種切削路徑),
直至加工出單個隔框,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下單
個隔框的變形量。優選出變形量最小的一種切削路徑。

(3)整個隔框類結構件刀具軌跡優化

隔框類結構件由多個隔框組成,根據彈塑性理論以及刀具走刀路徑對加工
變形影響的研究結果表明,零件的加工變形是與其加工過程有關的,因此可以確
定隔框加工順序的先后對零件加工變形也是有影響的。但是,在實際加工中,隔
框加工順序一般僅憑經驗確定,很少考慮因此而引起的加工變形,并且到目前為
止有關加工順序影響加工變形的機理還未見報導。為此,需要研究不同隔框加工
順序對零件加工變形的影響,從而確定加工變形最小的隔框加工順序。

3.1制定不同的隔框加工順序,如對稱銑削,環形銑削,順序銑削。

3.2對整個隔框類結構件的毛坯建立有限元模型,賦予材料屬性并加載初始
殘余應力;加載初始殘余應力的步驟包括:測量毛坯表面殘余內應力、計算毛
坯內部殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力,每個步驟與步驟2.2實現方
法一致;

3.3使用動態切削仿真方法,在單個隔框的刀具路徑優化的基礎上,按照制
定的不同切削路徑(作為指定順序一步一步依次去除)切除材料,直至加工出
整個隔框類結構件,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零件
的變形量。優選出變形量最小的一種切削路徑。

下面結合附圖和實例進行說明。

1)對隔框類整體結構件單個隔框建立有限元模型,加載初始內應力;

附圖1a、1b為實例所需加工的零件,根據該零件的結構特點,提取出典型的
局部結構,為典型的單面槽腔類零件如圖2a、2b,幾何特征:槽腔尺寸
100mm*200mm,側壁厚2mm,壁高20mm,毛坯尺寸204mm*104mm*22mm,
對毛坯加載初始殘余應力,其分布滿足圖3。

2)對單個隔框進行動態切削仿真,得到優化的切削路徑;

對于薄壁結構的腹板的加工,關鍵問題就是要解決由于軸向切削力引起的加
工變形。目前主要有四種常規的走刀方式,即:內環走刀、外環走刀、之字
走刀和并進走刀,如圖4a、4b、4c、4d所示。

使用動態切削仿真方法,按照制定的不同切削路徑切除材料,直至加工出單
個隔框,得到加工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下單個隔框的變
形量。優選出變形量最小的一種切削路徑。

3)對隔框類整體結構件建立有限元模型,并加載初始內應力;

整個隔框類結構件毛坯尺寸為長1219mm,寬583mm,厚22mm,,對其加載初
始殘余應力,其分布滿足圖3。

4)對整個隔框進行動態切削仿真,得到優化的切削路徑;;

仿真分析時,先對整體結構件的各個隔框進行離散化編號,方便直觀的安排
加工順序;其次,安排多種不同的隔框加工順序,使用動態切削仿真方法,
按照制定的不同切削路徑切除材料,直至加工出整個隔框類結構件,得到加
工過程中殘余應力釋放和加工應力共同作用下零件的變形量。圖5、圖6、圖
7為幾種常見的加工順序。優選出變形量最小的一種切削路徑。

在具體加工每一個隔框時,使用單個隔框的刀具路徑優化后的走刀路徑。

關 鍵 詞:
一種 隔框類 整體 結構件 優化 切削 路徑 方法
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