[发明专利]适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法

说明书

本发明公开了一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法，它包括以下步骤：设定铣刀几何参数、工件材料参数、铣刀材料参数、加工工艺参数以及超声振动参数；对铣削模型进行转换，建立纵扭超声铣削三维等效模型；建立刀具、工件、工件基体及装配三维模型；对刀具、工件、工件基体划分网格；实现刀具纵扭超声振动；设定刀具切削运动边界条件；提交计算，输出切削刃运动轨迹、切削力、切削温度的计算结果。本发明通过对铣削模型进行转换，成功实现了刀具作为纵扭超声振动载体的铣削三维有限元仿真，考虑了刀具螺旋角和切削刃半径，其模型和实际加工过程更为贴切，计算精度得以保证。同时本发明通过建立工件基体模型，成果实现了切削力的输出。

技术领域：

本发明涉及一种超声振动加工建模方法，特别是涉及一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法。

背景技术：

超声振动尤其是二维纵扭超声振动技术由于其高频的振动冲击，以及分离特性，能够有效降低加工过程中的平均切削力和切削温度，在抗疲劳制造技术中有着重要的地位。而将超声技术与铣削加工方法相复合从而获得已加工表面压应力的主动控制，是目前机械制造领域抗疲劳制造技术研究的主要方法之一。

随着计算机硬件水平的不断提高，通过有限元仿真去模拟超声铣削加工不失为一种有效的方法，一方面可以通过完善材料物理参数，以及加工中存在的物理现象，去实现加工结果的预测，相对于解析模型有更高的精度；另一方面，为试验提供指导，减少了探索试验的次数和盲区，从而降低人力物力的消耗，提高了经济性。

目前高温合金铣削有限元仿真所存在问题：

(1)二维模型：忽略材料应变厚度的影响，忽略刀具螺旋角的影响，产生较大的误差。且无法实现刀具同时产生轴向和扭转方向超声振动的仿真。

(2)三维模型：模型复杂，计算耗时长，对计算机硬件有较高要求。

(3)纵扭超声铣削三维仿真：采用传统的三维模型，无法实现刀具同时产生轴向和扭转方向超声振动的仿真。

(4)超声振动铣削切削力仿真：对于刀具作为超声振动载体，由于超声振动会产生高频周期性的加速度，采用传统从刀具参考点作为切削力的输出质点不能准确反映实际切削力。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种模型和实际加工过程更为贴切且计算精度得以保证的新型适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法。

本发明的技术方案是：

一种适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法，包括以下步骤：

(1)设定铣刀几何参数、工件材料参数、铣刀材料参数、加工工艺参数以及超声振动参数；所述铣刀几何参数包括刀具前角r₀、刀具后角a₀、铣刀直径D、刀具螺旋角b、切削刃半径r_e、铣刀齿数N；

所述工件材料参数包括材料密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、非弹性热分数、膨胀系数、准静态下的屈服强度A，硬化模量B，应变率敏感系数C，温度敏感系数m，应变硬化指数n，材料的单元失效准则参数D1、D2、D3、D4和D5；

所述铣刀材料参数包括材料密度、弹性模量刀、泊松比、热导率、比热容；所述加工工艺参数包括每齿进给量f_z、切削宽度a_e、进给速度v_f、主轴转速n；

所述超声振动参数包括纵向和扭转超声振动频率f₁和f₂、纵向和扭转超声振动幅度A₁和A₂、纵向和扭转超声相位差j；

(2)铣削模型等效转换：