[发明专利]一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法

说明书

本发明公开了一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，基于有限元仿真分析和切削力热耦合作用理论建模相结合的方法，模拟含初始残余应力的毛坯结构件在粗、精切削加工过程中内应力场的演变过程，可以更好地体现粗加工后结构件基体残余应力分布对精加工表面层切削残余应力分布的影响，以及切削全过程完成后结构件内应力释放对加工变形的影响，能够实现对最终加工残余应力和加工变形的预测。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种预测分析薄壁结构件切削加工变形的方法。

背景技术

薄壁结构件目前已经广泛应用于航空航天、能源、汽车、电子等众多先进制造领域，可以显著提升装备性能。例如在飞机上大量应用由大型毛坯直接加工而成的整体结构件，可以显著提高机身强度和气动外形精度、减轻机身重量、减少零件和相应的装配工作量，提升飞机的机动性和可靠性。但是薄壁零件结构刚性较差，在加工过程中材料去除率大，加工过程中工件内应力变化剧烈，容易产生加工变形过大、无法满足加工精度要求的情况。

分析薄壁结构件加工变形的产生机理并对加工变形进行建模和预测是实现加工变形控制的基础，近年来逐渐成为机械制造领域关注的热点问题。但是薄壁结构件整体加工变形的产生是工件内应力场在外载荷作用及边界条件变化情况下发生复杂演变的结果，以现有技术手段还难以对工件内应力场进行完整测试。有限元仿真分析技术是分析场量变化的有效手段，并且近年来随着计算机技术的进步及切削原理研究的进步，切削物理仿真技术已经逐步发展起来，并已经应用于切削过程中的力载荷、温度场、应力场等的分析。但是切削物理仿真计算需要耗费大量的计算资源，且计算效率较低，要对完整零件进行加工过程的切削物理仿真是不现实的。现有研究中，学者们致力于使用一定的技术手段简化和等效零件加工过程，如较为常用的“单元生死”技术既可以很好地模拟加工中材料去除、毛坯初始应力释放的过程，但是这种简化方法难以体现切削力、热载荷在工件表面层引入的切削残余应力及其对薄壁结构件加工变形的影响。在现有技术条件下，相比物理仿真分析技术而言，理论解析计算可以实现更高的精度，但是基于解析方法很难对复杂三维零件的整体应力场和变形进行分析。

因此，要实现加工工艺优化和加工变形控制，需要可靠、高效的全切削加工过程模拟分析和加工变形预测技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，能够实现对最终加工残余应力和加工变形的预测。

本发明的具体实施方案如下：

一种薄壁结构件切削加工变形预测分析方法，将有限元分析得到的粗加工后结构件基体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，然后加载到精加工有限元模型上模拟最终的加工变形。

进一步地，建立精加工有限元模型时，对距离加工表面设定深度范围内的网格进行细化。

进一步地，将粗加工有限元模型得到的基体应力分布映射到精加工有限元模型中，确定精加工有限元模型中各个节点应力状态，并作为理论建模分析的初始应力。

进一步地，采用线性拟合和插值的方法确定精加工有限元模型中各个节点应力状态。

进一步地，对于精加工有限元模型中各个细化网格节点，根据精加工采用的刀具参数、加工工艺参数及刀具和工件的材料参数，求解所述细化网格节点对应位置在精加工过程中承受的切削力载荷和切削温度，并以所述初始应力为理论建模计算的起点，求解精加工后各个细化网格节点的残余应力值，作为加工变形分析预应力值；对于各个非细化网格节点，保留所述初始应力值作为加工变形分析预应力值。

进一步地，在精加工有限元模型中加载加工变形分析预应力值，求解在无外界载荷作用时结构件内应力场的平衡状态及最终的加工变形。

进一步地，所述一定深度范围为100微米至1毫米，细化的网格沿表面法向的长度小于或等于20微米。