一种减小盘类平面构件车削加工变形的局部粘接装夹方法技术

本发明专利技术属于平面构件车削装夹技术领域，公开一种减小盘类平面构件车削加工变形的局部粘接装夹方法，首先根据点阵粘接单元的给定半径和平面构件受力平衡条件确定出粘接点数量，并初始化粘接点位置；据此建立平面构件的多次切削仿真模型，进而施加初始内应力场，并依据确定的粘接点位置局部约束目标构件；在此基础上，采用非均匀材料去除技术确定被去除网格集合，提交计算并确定加工完成后的平面构件面形PV值；最后以最小加工变形为目标，基于遗传算法优化粘接点位置，直至最终获得粘接点阵的最优位置序列。本发明专利技术采用局部点阵粘接装夹方式既减小了平面构件的装夹变形，又有效降低了车削加工过程所引起的应力变形，显著提高了平面构件的加工精度。构件的加工精度。构件的加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种减小盘类平面构件车削加工变形的局部粘接装夹方法


[0001]本专利技术属于平面构件车削装夹
，具体涉及一种减小盘类平面构件加工变形的局部粘接方法。

技术介绍

[0002]信息电子、能源动力等领域的一些盘类薄壁平面构件的面形精度往往要求极高，但因其径厚比大、刚性差，极易在应力作用下产生变形，导致车削加工时精度保证的难度极大。尽管采用超精密单点金刚石车床进行微米切削可以大幅减小机加应力层，改善薄壁平面件机加应力作用下的变形问题，但装夹应力与构件内应力依旧存在，且贯穿整个加工周期。其中装夹形式不仅直接影响构件的装夹变形，还会改变构件加工过程中的应力释放方式，进而影响薄壁平面构件加工完成后的应力变形分布。
[0003]当前，常采用真空吸附装夹法取代传统的机械装夹法，以解决后者在薄壁平面构件装夹过程中造成的装夹变形大、构件易碰伤等问题。真空吸附法通过夹具体内部的真空腔与大气间的压力差将构件牢牢压在夹具表面,还具有装夹可靠的优点。但是随着平面构件壁厚的不断减薄，构件的应力变形逐渐增大，面形精度也不断恶化。在装夹面存在面形误差的情况下，尽管装夹面在真空吸附力作用下能被强制“拉平”，但约束卸载后平面构件发生弹性恢复，导致装夹面的面形误差复映到加工面上。此时平面构件加工面精度与装夹面精度间存在强相关性，无法通过翻面加工方式使加工变形收敛。此外，在吸附力的强力约束下，材料去除诱发的不平衡应力无法在加工过程中释放。待加工完成约束卸载后，累积的不平衡应力才得以全部释放，内应力重新平衡产生大应力变形。此时，装夹变形与应力变形一起共同制约真空吸附装夹条件下薄壁平面构件的加工精度。
[0004]此外，粘接法在光学元件抛光过程中得到应用，主要是将工件固定在夹具上以减少装夹变形，并且通常是将定位面整体粘接。文献“超薄石英片抛光加工胶结固持变形”(光学精密工程，2019，27(11)：128
‑
135)探究了胶粘剂固化顺序对超薄石英片装夹变形的影响，但未涉及粘接单元数量和位置的最优选取问题。目前，粘接法在车削加工中尚未得到应用，特别是考虑零件内应力和装夹等因素作用下以减小车削加工变形为目标的局部粘接策略还尚未见到。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种面向平面构件车削加工过程的局部粘接装夹方法，以解决采用现有装夹方案加工盘类平面构件时加工变形过大的问题。
[0006]本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：
[0007]一种减小盘类平面构件车削加工变形的局部粘接装夹方法，其特征在于，首先根据点阵粘接单元的给定半径和平面构件受力平衡条件确定出粘接点的数量，并初始化粘接点的位置；据此建立平面构件多次切削仿真模型，进而施加初始内应力场，并依据确定的粘接点位置局部约束目标构件；在此基础上，采用非均匀材料去除技术确定被去除网格集合，
提交计算并确定加工完成后的平面构件面形PV值；最后，以最小加工变形为目标，基于遗传算法优化粘接点位置，直至最终获得粘接点阵的最优位置序列。
[0008]本专利技术采用的具体步骤如下：
[0009]步骤一、平面构件切削加工过程中受到切削力与重力的共同作用。为了确保平面构件的粘接可靠性，粘接蜡提供的粘接力与粘接力矩需满足平面构件受力平衡与力矩平衡要求。选定局部粘接方案中粘接单元的形状均为圆形，根据平面构件几何尺寸选择粘接单元半径r的范围为2.5mm～7.5mm。因此，满足水平方向切削受力平衡的最小粘接点数量N
h
可由下述关系求出：
[0010][0011]其中w为粘接蜡剪切强度，F
f
为车削加工进给抗力，f
s
为安全系数。
[0012]不同于平面构件的水平受力情况，平面构件竖直方向的受力情况会随机床结构的不同略有差异。当加工机床为前置刀架结构时，主轴正转时工件所受主切削力与工件重力方向相反，此时满足竖直方向切削受力平衡的最小粘接点数量N
vq
可由下式求出：
[0013][0014]式中R为盘类平面构件的半径，t为平面构件厚度，ρ为构件材料密度，F
c
为车削加工主切削力。
[0015]当加工机床为后置刀架结构时，主轴正转时工件所受主切削力与工件重力方向相同，此时满足竖直方向切削受力平衡的最小粘接点数量N
vh
可由下式求出：
[0016][0017]由于N
vh
恒大于N
vq
，因此选择N
vh
作为满足竖直方向受力平衡的最小粘接点数量N
v
，其中N
v
＝N
vh
。进一步地，依据初选满足平面构件受力平衡条件的粘接点数量N。
[0018]步骤二、在机床坐标系下定义工件底面圆心为坐标系原点(0,0,0)，由于粘接单元位于工件底面，因此Z向高度为0。则粘接点位置采用极坐标形式表示为(R
i
，θ
i
),其中0≤R
i
≤R
‑
r,0≤θ
i
≤2π，随后初始化粘接点位置组合。为了确保工件的装夹稳定性，工件与胶层间的剪切力产生的周向力矩需满足下述关系：
[0019][0020]当平面构件所受周向力矩符合上述关系时，直接输出粘接位置序列否则随机生成一个新的粘接点(R
n+1
，θ
n+1
)，将该粘接点添加到粘接位置序列中并执行N＝N+1操作更新粘接点数量，重复该操作直至公式(4)成立。设定粘接点最大数量N
max
为粘接点初选数量的1.1倍～1.8倍，倘若粘接点数量N大于预设数量阈值N
max
时公式(4)所述条件仍未满足，则迭代停止，判定该组粘接点位置序列不合理，重新初始
化粘接点位置序列，执行步骤二中后续操作直至获得满足平面构件装夹稳定性的粘接点位置组合。
[0021]步骤三、应用Python二次开发技术对平面构件进行参数化建模，在有限元软件Abaqus中完成平面构件几何特征、材料属性等仿真参数的设置，并在步骤二确定的粘接点位置序列处局部约束平面构件加工定位面。沿厚度方向将平面构件分割为切削层与基体层，并对切削层进行局部网格细化，其中网格类型为八结点减缩积分六面体单元C3D8R。基于形函数插值法重构网格细化后的初始内应力场，随后将其加载到有限元分析模型中。
[0022]步骤四、由于材料去除诱发的不平衡应力在切削加工中就以构件变形的形式得以逐步释放，因此尽管刀具移动轨迹为平行于工件定位面的直线，但是刀具在各加工位置处的实际切削深度却并不相同，属于非均匀材料去除过程。结合单元生死技术，依据变形后网格单元的积分点与切削平面间的轴向相对位置判断单元在切削过程中是否被去除。具体地，对于第i次切削、第j层网格中的第k个单元E
k
，共包含8个节点n
kd
(d＝0,1
…
，7)，每个节点对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种减小盘类平面构件车削加工变形的局部粘接装夹方法，其特征在于，首先根据点阵粘接单元的给定半径和平面构件受力平衡条件确定出粘接点的数量，并初始化粘接点的位置；据此建立平面构件多次切削仿真模型，进而施加初始内应力场，并依据确定的粘接点位置局部约束目标构件；在此基础上，采用非均匀材料去除技术确定被去除网格集合，提交计算并确定加工完成后的平面构件面形PV值；最后，以最小加工变形为目标，基于遗传算法优化粘接点位置，直至最终获得粘接点阵的最优位置序列；具体步骤如下：步骤一、平面构件切削加工过程中受到切削力与重力的共同作用；为了确保平面构件的粘接可靠性，粘接蜡提供的粘接力与粘接力矩需满足平面构件受力平衡与力矩平衡要求；选定局部粘接方案中粘接单元的形状均为圆形，根据平面构件几何尺寸选择粘接单元半径r的范围为2.5mm～7.5mm；因此，满足水平方向切削受力平衡的最小粘接点数量N
h
由下述关系求出：其中，w为粘接蜡剪切强度，F
f
为车削加工进给抗力，f
s
为安全系数；不同于平面构件的水平受力情况，平面构件竖直方向的受力情况会随机床结构的不同略有差异；当加工机床为前置刀架结构时，主轴正转时工件所受主切削力与工件重力方向相反，此时满足竖直方向切削受力平衡的最小粘接点数量N
vq
由下式求出：式中，R为盘类平面构件的半径，t为平面构件厚度，ρ为构件材料密度，F
c
为车削加工主切削力；当加工机床为后置刀架结构时，主轴正转时工件所受主切削力与工件重力方向相同，此时满足竖直方向切削受力平衡的最小粘接点数量N
vh
由下式求出：，由于N
vh
恒大于N
vq
，因此选择N
vh
作为满足竖直方向受力平衡的最小粘接点数量N
v
，其中N
v
＝N
vh
；进一步地，依据max(N
v
，N
h
)初选满足平面构件受力平衡条件的粘接点数量N；步骤二、在机床坐标系下定义工件底面圆心为坐标系原点(0,0,0)，由于粘接单元位于工件底面，因此Z向高度为0；则粘接点位置采用极坐标形式表示为(R
i
，θ
i
)，其中0≤R
i
≤R
‑
r，0≤θ
i
≤2π，随后初始化粘接点位置组合；为了确保工件的装夹稳定性，工件与胶层间的剪切力产生的周向力矩需满足下述关系：当平面构件所受周向力矩符合上述关系时，直接输出粘接位置序列否则随机生成一个新的粘接点(R
n+1
，θ
n+1
)，将该粘接点添加到
粘接位置序列中并执行N＝N+1操作更新粘接点数量，重复该操作直至公式(4)成立；设定粘接点最大数量N
max
为粘接点初选数量的1.1倍～1.8倍，倘若粘接点数量N大于预设数量阈值N
max
时公式(4)所述条件仍未满足，则迭代停止，判定该组粘接点位置序列不合理，重新初始化粘接点位置序列，执行步骤二中后续操作直至获得满足平面构件夹稳定性的粘接点位置组合；步骤三、应用Python二次开发技术对平面构件进行参数化建模，在有限元软件Abaqus中完成平面构件几何特征、材料属性仿真参数的设置，并在步骤二确定的粘接点位置序列处局部约束平面构件加工定位面；沿厚度方向将平面构件分割为切削层与基体层，并对切削层进行局部网格细化，其中网格类型为八结点减缩积分六面体单元C3D8R；基于形函数插值法重构网格细化后的初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉文，闫舒洋，孙辉，齐书韬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：