一種介觀尺度車削變形預測方法與流程
2023-09-24 01:51:30 1
本發明涉及先進位造領域，具體涉及一種介觀尺度車削變形預測方法。
背景技術：
近年來，隨著產品小型化發展，介觀尺度零件在生物醫療、航空航天、微型機器人、高精度儀器儀表等高科技領域的應用越來越廣泛。然而，介觀尺度零件的剛度較差、誤差源繁多，零件加工精度難以保證。微細切削技術能夠加工微小三維複雜結構，而且加工效率高，在介觀尺度零件加工領域具有很大的潛力。目前，已經有很多學者對微細切削的機理進行了研究。微細車削是一種常見的微細切削方式，具有很高的研究價值。所以，建立介觀尺度零件車削加工變形預測模型非常有意義。國際期刊《journalofmaterialsprocessingtechnology》在2014年刊登了identificationofcuttingerrorsinprecisionhardturningprocess.j.m.zhou等人考慮了多種誤差源，建立了精密車削變形在線檢測控制系統。然而，這種系統結構複雜，車削變形預測準確度不高，精度控制穩定性不強。而且該系統只針對pcbn刀具，具有一定的局限性。另外，該模型只適用於宏觀車削，並不適用於介觀尺度車削變形的預測。目前有關介觀尺度車削的研究大多集中於切削機理，而關於介觀車削加工工藝的研究較少，實際加工中大多依賴經驗，缺少理論預測模型作為指導，給介觀尺度車削加工帶來不便。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種操作方便、適用廣泛、提高預測精度和效率的介觀尺度車削變形預測方法，通過該方法能夠快速準確的確定介觀尺度下車削的加工變形量。
為解決以上技術問題，本發明採用如下技術方案，本發明採用如下步驟：
①搭建基於介觀尺度的車削變形測試裝置；
所述變形測試裝置包括測力儀、壓板、滑軌、滑臺、壓板、絲槓、立板、螺釘和車刀，所述滑軌通過壓板設置在測力儀上，所述滑臺設置在滑軌上，所述壓板通過螺釘與滑臺相配合，所述車刀設置在滑臺與壓板之間，所述滑臺左側設有立板，所述絲槓通過立板與滑臺連接，所述滑軌上設有刻度線；
②建立介觀尺度車削切削力計算模型；
201介觀尺度車削切削力模型採用單位切削力法，考慮切削麵積和切削刃長度的作用，切削力的計算公式為f＝τs+σl(一)
式中，f為切削力合力，τ為單位面積切削力，s為切削麵積，σ為切削刃單位長度切削力，l為切削刃長度；
202計算介觀尺度車削切削麵積s，介觀尺度車削中，引入車刀刀尖圓弧半徑因素，瞬時切削麵積分為兩個部分計算，s1的計算公式為：
式中，r為車刀的刀尖圓弧半徑，f為每轉進給量，s2的計算公式為：s2＝f×(ap-r)(三)
式中，ap為切削深度，則介觀尺度車削瞬時面積總和為：
203計算介觀尺度車削切削刃長度，計算公式為：
204將切削力合力進行分解，主切削力ft、進給抗力ff和切深抗力fp的計算公式為：
ft＝fsinα(六)
ff＝fcosαcosβ(七)
fp＝fcosαsinβ(八)
式中，α為切削力合力f與xz平面的夾角，β為進給抗力ff和fr的夾角；
③確定切削力計算模型參數；
301確定車刀和工件的初始位置，調整所述步驟①中的絲槓，紀錄滑軌上刻度，進行介觀尺度下的工件車削，記錄測力儀中主切削力ft、進給抗力ff和切深抗力fp，測量車刀刀尖圓弧半徑r，將ft、ff、fp、r代入式(一)～(八)，得到一組參數τ、σ、α和β；
302通過調整所述步驟①中的絲槓，改變車刀和工件的位置，進而改變切削參數，並紀錄滑軌上刻度，重複步驟301，得到多組參數τ、σ、α和β的解，將其擬合得到最終解；
④建立介觀尺度車削變形有限元預測模型；
401編寫inp文件，作為有限元仿真的輸入文件，將步驟②和步驟③中理論預測得到的介觀尺度車削切削力作為有限元預測模型的輸入，在inp文件中，編寫工件的節點編號、節點坐標和單元編號，建立工件的三維模型；
402賦予工件材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比等物理參數，設置分析步，每一個分析步控制一個單元，在分析步的開始將切削力施加到控制單元的節點上，在分析步的結束使用單元生死法去除控制單元，通過循環，直到待切削層材料完全去除；
403將inp文件輸入到有限元軟體的分析計算模塊，計算結束後對仿真結果進行提取，選定已加工表面上的母線，找出母線上單元、單元編號、分析步和節點的偏移量x、y，計算總變形量r，並依據總變形量r在母線上的位置，繪製工件變形圖；
404選定切削深度為自變量進行車削仿真，公差分別為0.1mm,0.2mm,0.3mm，切削深度範圍為0.2～0.8mm，得到介觀尺度車削仿真變形圖，計算得到車刀刀尖讓刀的軌跡方程，將其作為走刀補償加入到車削工藝。
本發明步驟①中的車削變形測試裝置還包括滑槽、上託板、下託板、導軌、移動副、設置在第一絲槓上的平臺以及設置在工具機上的第二絲槓，所述滑槽對稱設置在平臺兩端，所述導軌設置在上託板上，所述上託板設置在下託板上，所述下託板設置在移動副上，所述移動副與第二絲槓相配合併隨之運動，所述平臺上設有測力儀。
所述滑軌橫截面呈t形，所述上託板與下託板通過過盈配合的方式連接。
本發明的積極效果如下：本發明利用調節裝置完成刀具的定位切削，減少了車床手柄的調節次數，降低了重複定位誤差，提高了操作效率；本發明考慮了介觀尺度車削中車刀刀尖圓角半徑和鈍圓半徑對切削力的影響，建立了介觀尺度車削切削力預測模型，能方便準確的計算介觀尺度車削的切削力；本發明建立了介觀尺度車削加工變形預測模型，能夠高效低成本地進行加工變形預測；本發明的有限元模型考慮了三維尺度的實際工程情況，使模型更加符合現實環境；本發明的有限元模型考慮了材料去除對微細軸剛度的影響，以及微細軸的質量對加工變形的影響，加入了慣性力的作用，使模型預測更加準確；本發明的有限元模型通過編寫inp文件作為輸入，可以方便快捷地進行多組參數仿真分析，大大提高了仿真效率；本發明的預測模型適用於各種材料的微細軸介觀尺度切削，具有較強的通用性；本發明的預測模型能夠指導介觀尺度車削的工藝，通過走刀補償提高微細軸的加工精度，對介觀尺度零件的加工具有重要的意義。
附圖說明
圖1為本發明介觀尺度變切深調節裝置示意圖；
圖2為本發明介觀尺度車削切削麵積示意圖；
圖3為本發明介觀尺度車削切削力示意圖；
圖4為本發明有限元仿真建模流程圖；
圖5為本發明介觀尺度車削第一次切深仿真結果示意圖；
圖6為本發明介觀尺度車削第二次切深仿真結果示意圖；
圖7為本發明介觀尺度車削第三次切深仿真結果示意圖；
圖8為本發明介觀尺度切削力與切削速度對比關係示意圖；
圖9為本發明介觀尺度切削力與切削深度對比關係示意圖；
圖10為本發明介觀尺度切削力與進給速度對比關係示意圖；
圖11為本發明介觀尺度車削切削變形實驗值和預測值對比示意圖；
圖12為本發明介觀尺度車削刀具補償路徑示意圖；
圖13為本發明介觀尺度車削無補償和有補償實驗結果對比示意圖；
圖14為本發明擋板結構示意圖；
在圖中：1測力儀、2壓板、3滑軌、4滑臺、5壓板、6刀具、7螺釘、8立板、9絲槓、10工件、11無補償加工微細軸、12有補償加工微細軸、13平臺、14第一絲槓、15滑槽、16上託板、17下託板、18導軌、19工具機、20第二絲槓、21移動副，o1和o2為相鄰兩轉刀具刀尖圓弧的圓心位置，δ為工件受力變形之後微細軸的加工誤差，s為微細軸受到的應力。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實例對本發明進行詳細說明，本發明預測方法步驟如下：如圖1、2、3、4所示，①搭建基於介觀尺度的車削變形測試裝置；
所述變形測試裝置包括設置於車床刀座上的測力儀1、壓板2、滑軌3、滑臺4、壓板5、絲槓9、立板8、螺釘7和車刀6，所述滑軌3通過壓板5設置在測力儀1上，所述滑臺4設置在滑軌3上，所述壓板5通過螺釘7與滑臺4相配合，所述車刀6設置在滑臺4與壓板5之間，所述滑臺4左側設有立板8，所述絲槓9通過立板8與滑臺4連接，所述滑軌3上設有刻度線；
②建立介觀尺度車削切削力計算模型；
201介觀尺度車削切削力模型採用單位切削力法，考慮切削麵積和切削刃長度的作用，切削力的計算公式為f＝τs+σl(一)
式中，f為切削力合力，τ為單位面積切削力，s為切削麵積，σ為切削刃單位長度切削力，l為切削刃長度；
202計算介觀尺度車削切削麵積s，介觀尺度車削中，引入車刀刀尖圓弧半徑因素，瞬時切削麵積分為兩個部分計算，s1的計算公式為：
式中，r為車刀的刀尖圓弧半徑，f為每轉進給量，s2的計算公式為：
s2＝f×(ap-r)(三)
式中，ap為切削深度，則介觀尺度車削瞬時面積總和為：
203計算介觀尺度車削切削刃長度，計算公式為：
204將切削力合力進行分解，主切削力ft、進給抗力ff和切深抗力fp的計算公式為：
ft＝fsinα(六)
ff＝fcosαcosβ(七)
fp＝fcosαsinβ(八)
式中，α為切削力合力f與xz平面的夾角，β為進給抗力ff和fr的夾角；
③確定切削力計算模型參數；
301確定車刀6和工件10的初始位置，調整所述步驟①中的絲槓9，紀錄滑軌3上刻度，進行介觀尺度下的工件10車削，記錄測力儀1中主切削力ft、進給抗力ff和切深抗力fp，測量車刀6刀尖圓弧半徑r，將ft、ff、fp、r代入式(一)～(八)，得到一組參數τ、σ、α和β；
302通過調整所述步驟①中的絲槓9，改變車刀6和工件10的位置，進而改變切削參數，並紀錄滑軌3上刻度，重複步驟301，得到多組參數τ、σ、α和β的解，將其擬合得到最終解；
④建立介觀尺度車削變形有限元預測模型；
401編寫inp文件，作為有限元仿真的輸入文件，將步驟②和步驟③中理論預測得到的介觀尺度車削切削力作為有限元預測模型的輸入，在inp文件中，編寫工件的節點編號、節點坐標和單元編號，建立工件的三維模型；
402賦予工件材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比等物理參數，設置分析步，每一個分析步控制一個單元，在分析步的開始將切削力施加到控制單元的節點上，在分析步的結束使用單元生死法去除控制單元，通過循環，直到待切削層材料完全去除；
403將inp文件輸入到有限元軟體的分析計算模塊，計算結束後對仿真結果進行提取，選定已加工表面上的母線，找出母線上單元、單元編號、分析步和節點的偏移量x、y，計算總變形量r，並依據總變形量r在母線上的位置，繪製工件變形圖；
404選定切削深度為自變量進行車削仿真，公差分別為0.1mm,0.2mm,0.3mm，切削深度範圍為0.2～0.8mm，得到介觀尺度車削仿真變形圖，計算得到車刀刀尖讓刀的軌跡方程，將其作為走刀補償加入到車削工藝。
如圖14所示，本發明步驟①中的車削變形測試裝置還包括滑槽15、上託板16、下託板17、導軌18、移動副21、設置在第一絲槓14上的平臺13以及設置在工具機19上的第二絲槓20，所述滑槽15對稱設置在平臺13兩端，所述導軌18設置在上託板16上，所述上託板16設置在下託板17上，所述下託板17設置在移動副21上，所述移動副21與第二絲槓20相配合併隨之運動，所述平臺13上設有測力儀1。所述滑軌3橫截面呈t形，所述上託板16與下託板17通過過盈配合的方式連接。
實施例一
①確定介觀尺度車削切削力計算模型：
101選擇加工工具機的型號，車刀牌號以及工件材料。將工件10安裝在夾具上，將刀具6夾緊於滑臺4和壓板5之間，並且通過壓板上的階梯面進行定位。通過絲槓9調節滑臺的位置，從而確定刀具刀尖和工件的相對位置。啟動工具機，通過絲杆9調節切削深度，同時採用三向旋轉測力儀進行切削力的測量，測量信號採集之後使用多通道電荷放大器進行放大，然後通過數據處理得到切削力。
102介觀尺度車削實驗的具體參數如表2所示，分別設置轉速、切削深度和進給速度為自變量，測量每組實驗的切削力數值。
表2微細車削試驗參數
103實驗結束後，將得到切削力數據進行濾波處理，然後繪製各組實驗切削力曲線圖。將實驗得到的切削力數值和理論預測模型進行比較，繪製曲線圖如圖8-10所示。從圖中可以看出，和宏觀切削的切削力不同，介觀尺度車削中，主切削力和切深抗力幾乎相同。另外，理論值和實驗值十分吻合，從而驗證了本發明介觀尺度車削切削力預測模型的正確性。
②確定介觀尺度車削變形有限元預測模型：
201介觀尺度車削變形的仿真參數和實驗參數如表1所示。利用有限元仿真軟體進行三次不同切深仿真，仿真結束之後提取分析結果，計算得出加工變形。實驗加工結束之後，使用基恩士顯微鏡對微細軸進行測量，得到加工誤差，三次切削深度仿真如圖5-7所示。
表1介觀尺度仿真和實驗切削參數
202將介觀尺度車削有限元仿真變形值和實驗變形值進行比較，如圖11所示。從圖中可以看出，仿真值和實驗值十分吻合；另外，和宏觀切削的加工特點不同，介觀尺度車削中工件的剛度很小，導致加工變形很大，從而形成較大的誤差。尤其在微細軸的末端，受切削力的作用產生的撓度變形很大，加工誤差不可忽視。
③基於預測模型提高介觀尺度車削加工質量：
301根據仿真結果得到介觀車削加工的變形，然後可以計算得出補償曲線，採用插值的方式轉變成走刀軌跡，進而提高微細軸的加工質量。
302實驗的目標零件為直徑0.4mm、長度5mm的大長徑比微細軸，切削參數為切削深度0.3mm、進給速度20mm/min、轉速5000r/min。
303仿真得到的補償曲線如圖12所示，其中橫坐標表示了工件軸向不同位置處的坐標，縱坐標表示了在該位置上，刀具在切深方向的補償。
304根據走刀補償軌跡進行車削加工試驗，為了驗證補償軌跡的有效性，將無補償車削和有補償車削得到的工件進行對比，結果如圖13所示。從圖中可以看出，無補償車削得到的微細軸變形很大，特別是在工件的末端，由於工件懸伸量過大很容易產生讓刀，加工誤差可達45um。加入誤差補償後，工件的加工誤差降低了80％，大大提高了微細軸的加工精度。
本實施例中有限元仿真軟體為abaqus,inp文件概要為：
以上所述實施方式僅為本發明的優選實施例，而並非本發明可行實施的窮舉。對於本領域一般技術人員而言，在不背離本發明原理和精神的前提下對其所作出的任何顯而易見的改動，都應當被認為包含在本發明的權利要求保護範圍之內。