低刚度工件加工误差预估及其基于APDL的程序集成.pdfVIP

务l 匐 似 低刚度工件加工误差预估及其基于APDL的程序集成 Machining error prediction of Iow-rigidity parts and program integration using APDL 乔 凯’，刘竹帆’，舒小平 QIA0 Kai 。LIU Zhu-fan。，SHU Xiao—ping (1．中国矿业大学机电学院，徐州221116：2．淮海工学院 机械工程学院，连云港 222005) 摘 要t针对低刚度工件因切削力引起的力致变形加工误差问题，依据基于切削原理的进给量一切削力 模型和基于结构力学的变形量一切削力模型，建立了加工误差的数学迭代算法。借助有限元商 业软件ANSYS的参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric Deslan Lanauaae)，开发了集 误差迭代计算、刀具走刀、材料去除于一体的变形误差动态仿真程序，实现了全过程加工误 差计算的自动运算。二维和三维切削算例验证了迭代算法的收敛性和精度，显示了程序集成 的有效性。 关键词：加工误差；低刚度零件；迭代；APDLI程序集成 中圈分类号；TH1 61+．3 文献标识码：A 文章编号：1009-01 34(2014)09(上)-0043-06 Doil 1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．2014．09(．上)．1 2 0 引言 · 低刚度零件或缘于薄壁和细长结构，或缘于 材料弹性模量低，在切削过程中因切削力的作用 产生变形误差，影响加工的精度和质量 。因刚 度低，在加工误差形成的诸要素中，切削力产生 的力致加工误差贡献最大。研究低刚度零件数控 加工导致的力致变形误差，以期根据误差计算结 果，事先通过数控编程对数控机床的刀具轨迹作 出补偿，提高加工质量和效率。显然，通过离线 补偿提高工件加工精度的关键在于如何精确地计 算工件的变形，Budak等通过控制单齿进给量的方 法来控制加工误差【1]，Cho等人在实验统计数据的 基础上研究了简单零件的误差补偿方案 。对于 复杂形面，主要借助有限元法作为误差计算的手 段，万敏等围绕铣削力建模和表面误差预测方法 展开了研究口】，王志刚等借助有限元软件提出了航 空薄壁方框零件铣削加工中的刀具补偿策田各【 ，陈 蔚芳等完成了基于ABAQUS的薄壁件加工变形控 制快速仿真平台开发 】，Ratchev等通过有限元方 法对薄壁件铣削过程中的加工变形和表面误差进 行了系列研究 。 就低刚度零件力致加工误差离线预估的研究 而言，有两方面研究需要深入：1)构建高效的误 差计算数学方法。由于变形误差的计算至少取决 于建立在切削工艺之上的进给量一切削力模型和基 于结构力学的变形一切削力模型，进给量和变形 量出现耦合，一般会形成复杂的迭代计算。应力 求建立适用于不同切削工艺的数学迭代算法。(2) 因切削过程是材料不断减少的过程，传统的做法 需要不断重新构建几何形体和有限元网格，对动 辄上千单元的计算而言，工作量庞大且需人工干 预计算过程，极大地影响计算效率。本文将借助 ANSYS参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)，设计集误差迭代计算、刀具走 刀、材料去除于一体的变形误差动态仿真程序， 实现全过程加工误差计算的高效率自动运算。并 通过简化的二维车削算例和三维矩形薄板铣削算 例验证该程序的有效性和精度。 1 变形误差的有限元迭代算法 在此仅研究因切削力引起的工件变形 不考 虑其他非切削力因素造成的加工误差。首先假 设：1)加工过程中材料处于线弹性范围。2)材料是 各向同性的。3)刀具是刚体，切削时不产生变形。 4)不考虑切屑、振动、机床等造成的其他误差。 低刚度零件在走刀过程中产生的力致变形误 差，可以用一系列的离散的样点的变形误差来表 达，也就是说连续的刀具轨迹可以由有限个样点 逼近，所取样点的密集程度根据刀具轨迹的曲率 变化程度而定。 收■日嗣：2014-06-03 基金璜目：江苏省优势学科基金资助 (苏财教 (2011)209号) 作者簧介：乔凯 (1990一)，男，山东曲l阜人，硕士研究生，主要研究方向为低刚度工件加工误差分析。 第36卷 第9期 2014—09(上) 【43】 学兔兔 l 匐 似 样 点 刀具轨迹 图1 刀具轨迹和样点 每一个样点的变形误差计算取决于建立在切 削工艺之上的进给量一切削力模型和基于结构力学 的变形一切削力模型，即：切削力模型，取决于采 用的切削工艺 ，已有大量建立在理论和实验基础 上的模型。2)变形模型，反映工件在切削力作用下 发生的变形，取决于工件的几何结构。该模型以 建立切削点变形与切削力的数值关系为 目标，应 以高精度的、有良好前置和后置功能的有限元软 件