[发明专利]基于整体刚度矩阵的切削力所致变形的预测方法及系统

说明书

一种基于整体刚度矩阵的切削力所致变形的预测方法及系统，首先对工件和刀具进行建模并通过有限元分析软件导出工件和刀具模型的整体刚度矩阵及其各自的逆矩阵，然后分别对工件和刀具进行独立的变形分析，再对切削过程中的工件和刀具进行动态交互效应的迭代分析，最终得到切削力所致的变形值。本发明针对性计算切削点处指定点的变形，在达到与以有限元仿真为核心的变形计算方法的精度几乎相同的前提下，计算效率比其高出百倍；本发明适用于任意材料、任意形状面的工件加工，具有普适性。

技术领域

本发明涉及的是一种加工精度控制领域的技术，具体是一种基于整体刚度矩阵的切削力所致变形的预测方法及系统。

背景技术

在数控加工过程中，切削力所致变形对零件的最终加工精度起到重要影响，尤其是加工薄壁类零件。由于薄壁类工件的刚度较低，切削力所致变形占其总加工误差的40％～70％。因此，准确、快速预测切削力所致变形误差对控制薄壁类工件的加工精度具有重要意义。现有预测方法一般以有限元仿真为核心，直接运用成熟的商业有限元分析软件进行仿真，获取工件变形值。但由于有限元软件仿真的针对性不足，每次仿真均将工件或刀具上所有节点的变形都进行计算，所以计算出最终的切削力所致变形需要消耗大量的时间。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于整体刚度矩阵的切削力所致变形的预测方法，只计算切削点处的变形，实现快速加工过程中切削力所致变形误差的准确预测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明首先对工件和刀具进行建模并通过有限元分析软件导出工件和刀具模型的整体刚度矩阵及其各自的逆矩阵，然后分别对工件和刀具进行独立的变形分析，再对切削过程中的工件和刀具进行动态交互效应的迭代分析，最终得到切削力所致的变形值。

所述的建模是指：根据工件和刀具的实际尺寸进行数字化建模，根据工件和刀具的实际材料定义模型的参数，根据工件实际约束情况进行约束定义和网格划分。

所述的独立的变形分析是指：将工件和刀具均视为弹性体，在弹性形变范围内满足胡克定律，则刀具和工件整体的变形分析可归结为一组线性方程的求解，即K·δ＝F。进一步展开，全部节点的三维变形为其中：K^-1为整体刚度矩阵的逆矩阵。任一节点i的三维变形由整体刚度矩阵的逆矩阵K^-1中第3i,3i+1和第3i+2行点乘外部作用力F求得为：

其中：K为弹性体的整体刚度矩阵，δ为弹性体的整体变形值，F为施加在弹性体上的外部作用力，δ_ix(y,z)为编号i的节点在x(y,z)方向的变形值，S_ij为第j个节点上的单位力在第i节点上产生的变形值，f_ix(y,z)为在第i节点沿x(y,z)方向作用的外力，s_i,j为整体刚度阵的逆矩阵K^-1中的位置为第i行第j列的元素。

所述的动态交互效应的迭代分析是指：由于工件和刀具变形，切削力受到影响，所以切削力和切削力所致变形之间存在负反馈耦合交互，即工件和刀具的变形会使切削厚度减少，切削力随之减少，减少的切削力再次作用到工件和刀具上，切削力所致的变形减少，从而使切削厚度增大，又造成切削力增大，形成了负反馈迭代。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：建模单元、变形分析单元、动态交互效应分析单元以及变形值输出单元，其中：建模单元与变形分析单元相连并传输整体刚度矩阵信息，变形分析单元与动态交互效应单元相连并传输刀具和工件的独立变形信息，动态交互效应分析单元与变形值输出单元相连并传输切削力所致变形值信息，变形值输出单元则输出切削力所致变形值。

技术效果