[发明专利]适用于纵扭超声铣削的有限元仿真建模方法

摘要

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。

主权项

1.一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：利用所述步骤(1)中的铣刀几何参数和加工工艺参数，按照铣削模型转换几何关系，计算得到h_max、l其中(3)建立刀具、工件及装配三维模型：利用所述步骤(1)中的铣刀几何参数和加工工艺参数，结合所述步骤(2)中的h_max和l，按照刀具和工件几何模型对刀具、工件划分网格，刀具‑工件装配的相对位置构成纵扭超声铣削等效模型；(4)在工件下方增加与工件尺寸相匹配的工件基体，施加刚体约束，建立参考点，作为切削力输出的质点；(5)根据所述步骤(1)中的刀具材料参数和工件材料参数，分别赋予所述步骤(3)建立的刀具和工件模型材料属性；赋予所述步骤(4)建立的工件基体工件材料属性；(6)赋予刀具纵扭超声振动:利用所述步骤(1)中的超声振动参数和所述步骤(3)建立的刀具‑工件装配模型，在刀具参考点RP位置同时施加纵向和扭转方向上的周期性位移边界条件，实现刀具纵扭超声振动，其中扭转超声振幅A₂和铣刀等效半径R_t'满足弧长计算公式,即A₂＝α×R_t'/180；α为一个扭转超声振动周期内刀具切削刃所经历圆心角的弧度数；(7)赋予刀具切削运动：根据所述步骤(1)中的加工工艺参数，赋予刀具切削运动；(8)提交计算及后处理：根据所述步骤(1)‑(7)所建立的模型，提交计算，输出切削刃运动轨迹、切削力、切削温度等计算结果。