一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，涉及仿真预测领域，包括以下步骤：建立单步分析标准有限元模型并提取分析文件，建立切削理论模型，有限元网格节点预处理，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，初始化k时刻有限元分析模型文件，有限元分析，加工误差计算，判断是否所有待切削表面节点完成计算，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，获得表面加工误差云。该方法可以实现全加工时间域内复杂工件表面加工后的表面残留加工误差的仿真分析，获得最终加工后的表面误差点云，通过对表面点云数据的处理获得加工表面质量评价参数，有效获得加工表面误差的波动及分布规律。

A coupled numerical simulation prediction method for milling errors of complex workpiece surfaces

The invention discloses a coupled numerical simulation prediction method for the machining error of the surface milling of a complex workpiece, which involves the following steps, including the following steps: establishing a single step analysis standard finite element model and extracting the analysis document, establishing a cutting theory model, preprocessing the finite element mesh node, and determining the cutting position at the K moment. The instantaneous cutting force, initializes the K time finite element analysis model file, the finite element analysis and the machining error calculation, determines whether all the nodes in the cutting surface can be calculated, and the residual error set at all the cutting positions obtained at the end of the cycle is converted to the workpiece surface machining error point cloud, and the surface processing error is obtained. Bad clouds. This method can realize the simulation analysis of the surface residual machining error after the machining of the complicated workpiece surface in the whole processing time domain. The surface error point cloud after the final processing is obtained. The surface quality evaluation parameters are obtained by processing the surface point cloud data, and the fluctuation and distribution of the machining surface error are effectively obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法
本专利技术涉及仿真预测领域，尤其涉及一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法。
技术介绍
平面铣削因其加工效率高，具有非连续的断续切削特性，同时适用于简单平面和复杂结构表面加工，广泛的应用于发动机缸体缸盖等的多孔洞的复杂结构表面的铣削加工中。其针对发动机缸体缸盖等的加工后的表面质量通常呈现出典型的“中间凹，四边翘曲”的加工误差模式，影响发动机缸体缸盖的密封性能和发动机的效率及服役性能。因此，建立复杂工件表面加工误差仿真预测方法，以准确的研究加工误差产生的机理、进行加工工艺参数的设计、控制加工后的表面加工误差具有十分重要的意义。随着加工检测技术的发展，特别是全表面的三维高清检测技术，可以获得加工表面的纹理和高低起伏的三维图，对研究加工表面质量和加工过程的评价，提供了更加全面的分析数据。传统加工变形中，主要分析特征点的加工变形，特别是立铣刀铣削仿真过程中常用的单点误差的预测，不适用于评价平面铣削全表面加工误差。唐东红等在论文“端铣加工工件变形仿真预测方法研究”(《北京理工大学学报》2008年第28卷第8期，678-681页)中提到采用加工过程离散与载荷等效的方法将瞬态铣削力施加于工件的有限元模型上，可以模拟工件三维铣削加工过程中的变形。该方法采用理论计算将加工过程离散化的计算的结果作为有限元加载值，参与有限元的分析，实现了瞬时工件变形的预测。其主要采用准静态加载的方式模拟了缸体的瞬时加工误差，而无法建立全时间域内的表面加工变形。李目等在论文“铣削加工中工件变形仿真预测方法研究”(《机械制造》2010年第48卷第545期，51-55页)中提到铣削加工是一个较复杂的过程，同时伴有进给运动和旋转运动，且载荷周期性地加载在工件上进行切削，并提出基于热——机耦合弹塑性有限元方法，采用ABAQCS有限元仿真软件，以测工件在铣削力和铣削热耦合作用下的变形情况。由于采用直接有限元法，其可以较好的预测瞬时加工热变形，主要进行切削机理性的研究，但效率较低且仿真范围较小5mm×15mm，无法适用于大型复杂工件表面的加工误差仿真。EYSION等在论文“Machinedsurfaceerroranalysis-afacemillingapproach”(《先进制造系统杂志》2011年第10卷第2期，293-307页)中提出采用ANSYS提取的柔度矩阵导入MATLAB中直接计算加工变形的方法，主要采用的是实际实验测得的均匀力加载，且采用的是立铣刀中单点加载分析的方式，仅适用于分析平面铣削中平面度的仿真，不适用于多齿盘铣刀的表面加工变形仿真预测。专利公开号为CN102592035A、名称为“一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法”的中国专利，提出了一种几何仿真和物理仿真结合的切削表面形貌仿真方法，通过几何映射的方法将工件动态静态变化叠加形成表面加工残留形貌，属于粗糙度尺度范围，且不适用于平面铣削中主要由加工变形导致的表面加工误差的仿真。当前铣削加工表面质量的仿真预测主要集中于瞬时加工变形，或者多个特定切削位置处的加工变形，无法实现时间域内的复杂工件表面的多齿面铣削加工误差形貌仿真预测。因此，本领域的技术人员致力于开发一种根据工件表面几何特征以及盘铣刀切削轨迹，能够获得任意时刻、任意断续切削位置处的铣削力和有限元分析模型，获得加工后的残留误差，从而实现加工过程中平面铣削后的全表面加工误差仿真的预测方法。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是对复杂工件全表面加工误差进行仿真，该方法可以实现全加工时间域内复杂工件表面加工后的表面残留加工误差的仿真分析，获得最终加工后的表面误差点云，通过对表面点云数据的处理获得加工表面质量评价参数，有效的获得加工表面误差的波动及分布规律。为实现上述目的，本专利技术提供了一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，包括以下步骤：步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；步骤200，建立切削理论模型，确定复杂孔洞表面非切削区域的几何判断准则，进入步骤300；步骤300，有限元网格节点预处理，确定切削循环采样k时刻切削位置，进入步骤400；步骤400，第k次循环的切削力加载，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；步骤500，初始化k时刻有限元分析模型，将k时刻的铣削力及相应的铣削位置写入标准有限元模型分析文件，更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件，进入步骤600；步骤600，有限元分析，导入第k次循环步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形，进入步骤700；步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤800；步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，则使k＝k+1，进入步骤300；如果是，则进入步骤900；步骤900，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云。进一步地，步骤100还包括将待加工工件的CAD模型导入有限元软件中划分网格，按照实际加工过程中的定位建立有限元模型的约束条件，并赋予材料属性。进一步地，步骤100中采用ABAQUS有限元软件，采用适用于复杂工件表面的六面体非规则网格将待测工件CAD模型网格化。进一步地，步骤200中，建立切削理论模型包括建立平面铣削切削刃上的三维切削力模型，以及刀具切削刃的切削轨迹几何模型。进一步地，步骤200中，切削刃上的铣削力与瞬时材料去除量相关，各切削刃的轨迹由旋转和进给运动叠加确定。进一步地，步骤200中，非切削区域的确定采用工件边界几何和是否在有限元节点坐标集中共同确定。进一步地，步骤300中，将待切削表面的网格节点按切削先后顺序排序，采样k时刻切削位置对应第k个表面切削节点。进一步地，步骤500中，将步骤400中获得的k时刻的铣削力及相应的铣削位置通过MATLAB写入标准有限元模型分析文件，通过MATLAB更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件。进一步的，步骤600中，通过MATLAB将步骤500中获得的第k次循环步的有限元分析文件导入至有限元计算软件ABAQUS中。进一步地，步骤600中，切削位置k处的加工变形通过MATLAB从有限元仿真的结果文件ODB中提取，并传递给MATLAB进行分析。进一步地，步骤800中，循环加载加载结束条件为第k个表面切削节点为最后一个切削时刻的节点。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术提出一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，建立基于MATLAB轨迹重构和ABAQUS有限元变形分析的耦合仿真模型，通过MATLAB和ABAQUS的数据传递，分析任意时刻，任意断续切削位置处的铣削力和有限元模型，实现复杂孔洞表面平面铣削后的全表面加工误差仿真。该方法可以获得最终加工后的表面误差点云，通过对表面点云数据的处理获得加工表面质量评价参数，有效的获得加工表面误差的波动及分布规律，为后续分析加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；步骤200，建立切削理论模型，确定复杂孔洞表面非切削区域的几何判断准则，进入步骤300；步骤300，有限元网格节点预处理，确定切削循环采样k时刻切削位置，进入步骤400；步骤400，第k次循环的切削力加载，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；步骤500，初始化k时刻有限元分析模型，将k时刻的铣削力及相应的铣削位置写入标准有限元模型分析文件，更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件，进入步骤600；步骤600，有限元分析，导入第k次循环步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形，进入步骤700；步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤800；步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，则使k＝k+1，进入步骤300；如果是，则进入步骤900；步骤900，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤100，建立单步分析标准有限元模型，建立有限元模型的约束条件，并提取标准有限元模型分析文件，进入步骤200；步骤200，建立切削理论模型，确定复杂孔洞表面非切削区域的几何判断准则，进入步骤300；步骤300，有限元网格节点预处理，确定切削循环采样k时刻切削位置，进入步骤400；步骤400，第k次循环的切削力加载，确定k时刻切削位置处的瞬时切削力，进入步骤500；步骤500，初始化k时刻有限元分析模型，将k时刻的铣削力及相应的铣削位置写入标准有限元模型分析文件，更新标准有限元模型分析文件，获得新的第k次循环步的有限元分析文件，进入步骤600；步骤600，有限元分析，导入第k次循环步的有限元分析文件至有限元计算软件，计算切削位置k处的加工变形，获得切削位置k处的加工变形，进入步骤700；步骤700，加工误差计算，提取k时刻循环步下有限元计算的加工变形量，获得切削位置k处的加工残留误差，进入步骤800；步骤800，判断是否所有待切削表面节点完成计算，如果否，则使k＝k+1，进入步骤300；如果是，则进入步骤900；步骤900，将所有循环结束后获得的各切削位置处的加工残留误差集合转换为工件表面加工误差点云，通过点云后处理，获得表面加工误差云。2.如权利要求1所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤100还包括将待加工工件的CAD模型导入有限元软件中划分网格，按照实际加工过程中的定位建立有限元模型的约束条件，并赋予材料属性。3.如权利要求2所述的复杂工件表面铣削加工误差的耦合数值仿真预测方法，其特征在于，步骤10...

【专利技术属性】
技术研发人员：金隼，凌卫国，刘顺，张雪萍，张继昌，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31