[发明专利]一种车削工件频率预测方法

说明书

本发明涉及一种融合红外测温及热力耦合模态仿真的车削工件频率预测方法，该方法首先获取车削试件与刀尖接触处在各次车削试验中的最高温度；将该温度及环境温度导入仿真软件先进行工件的稳态热分析，再施加热对流完成瞬态热分析，将结果导入静力学模块得到热应力并进行模态分析，完成工件在相应车削参数、相应尺寸下的热力耦合模态分析，依次得到试件在车削过程的前几阶振动频率；通过响应面法建立工件振动频率关于车削参数、工件半径比等4个自变量的预测模型。本发明获取工件在车削过程中对应不同尺寸下的振动频率方法，不需要做振动模态试验，引入了实测的车削温度，考虑到热力耦合对车削工件振动频率的影响，模型的输入参数易测量。

技术领域

本发明涉及一种融合红外测温及热力耦合模态仿真的车削工件频率预测方法，具体涉及一种基于有限元仿真对车削过程中热力影响下工件的前六阶模态频率的预测模型，属于机械加工及加工状态监测信息化技术领域。

背景技术

据了解，在车削过程中，刀具与工件的摩擦会导致车削振动，同时产生大量的热量，使得刀具与工件系统温度升高，加大刀具磨损，严重影响了刀具的使用寿命及工件的表面性能。与此同时，当刀具发生磨损时，刀具的几何形状及其与工件接触的方式会发生变化。刀具与工件的接触面积增大，会加剧刀具磨损和车削振动，摩擦和发热现象更加严重。所以，车削过程中车削热引起工件热胀冷缩或导热、散热不均匀，进而产生热应力，造成工件的模态频率变化，工件更易加剧振动幅度，研究车削过程中加工状态的监测，考虑模态频率是很有必要性的。

现有技术用来求解和预测模态频率的问题时，通常考虑频率响应分析法和频率响应实验法。频率响应分析法是基于物理机理的理论计算方法，只适用于系统结构组成易于确定的情况。在系统的结构组成给定后，运用相应的物理定律，通过推导和计算即可定出系统的频率响应。分析的正确程度取决于对系统结构了解的精确程度。对于复杂系统，分析法的计算工作量很大。频率响应实验法是采用仪表直接量测的方法，可用于系统结构难以确定的情况。常用的实验方式是以正弦信号作为试验信号，在所考察的频率范围内选择若干个频率值，分别测量各个频率下输入和稳态输出正弦信号的振幅和相角值。输出与输入的振幅比值随频率的变化特性是幅频特性，输出与输入的相角差值随频率的变化特性是相频特性。例如《一种机器人铣削颤振预测与主模态分析方法》就是采用频率响应实验法确定模态的各次频率，但是并未具体展示试验过程及实验结果。

另外，《基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法》根据被加工工件的几何参数和切削参数建立工件的三维模型，切削参数包括进给量和切削深度，由于工件仅采用长方体板材，未采用圆柱体材料，仿真中并未考虑车削速度，但是车削速度对切削温度、振动、噪声等都有较大影响，进而对模态频率产生影响，模型的普适性受到限制，不利于模型的推广。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种融合红外测温及热力耦合模态仿真的车削工件频率预测方法。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：

一种车削工件频率预测方法，包括以下步骤：

步骤1、通过红外测温仪获取车削试件与刀尖接触处在各次车削试验中的最高温度；

步骤2、将步骤1获得的温度及环境温度导入ANSYS Workbench仿真软件先进行工件的稳态热分析，再施加热对流完成瞬态热分析，将分析结果导入静力学模块得到热应力并进行模态分析，完成工件在相应车削参数、相应尺寸下的热力耦合模态分析，依次得到试件在车削过程的前几阶振动频率；

步骤3、通过响应面法建立工件振动频率关于车削参数、工件半径比等4个自变量的预测模型。工件半径比是指已车削段与未车削段半径之比。