一種基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法，包括以下步驟：首先獲取刀具系統(tǒng)參數(shù)、工件與刀具的材料參數(shù)，并制定切削工藝參數(shù)；根據(jù)工藝參數(shù)，按照銑刀各刀齒與前一刀齒的徑向夾角之比等于對(duì)應(yīng)的每齒進(jìn)給量之比的原則進(jìn)行銑刀幾何建模；對(duì)銑刀與工件的物理模型、接觸關(guān)系與運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行建模；提交工作到ABAQUS/Explicit求解器進(jìn)行求解計(jì)算；得到求解結(jié)果后，繪制銑削力-時(shí)間曲線圖，銑削溫度-時(shí)間曲線圖，或某特定節(jié)點(diǎn)集合的應(yīng)力、應(yīng)變圖。由于本發(fā)明中考慮了銑刀的螺旋角，更加接近真實(shí)的加工狀況，而且采用變齒距的幾何建模，能夠一次性模擬不同每齒進(jìn)給量的工況，節(jié)省了建模與計(jì)算時(shí)間。
【專利說明】一種基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬加工有限元仿真分析領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于有限元的鈦 合金變齒距銑削三維建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐熱性強(qiáng)、低溫性能好以及良好的抗蝕性等一系列 的優(yōu)異的物理性能，被廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、火箭導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件等許多領(lǐng)域?，F(xiàn)有 的數(shù)百種鈦合金中，Ti6A14V因?yàn)槟蜔嵝?、韌性、塑性、強(qiáng)度以及生物相容性都比較好，其使 用量占全部鈦合金的近80%。然而在具有優(yōu)異的性能的同時(shí)，鈦合金也是一種典型的難加 工材料。由于變形系數(shù)小、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具易磨損等特點(diǎn)，鈦合金加工后的 表面質(zhì)量難以保證、加工效率低、加工成本大大增高。這使得研究鈦合金加工的表面質(zhì)量、 切削參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。
[0003] 在研究鈦合金加工的方法中，有限元仿真相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法具有高效率、低成本、 對(duì)工況的適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)，是數(shù)值建模中使用最多的方法?，F(xiàn)有的切削有限元模型以正交 切削有限元模型為主，對(duì)實(shí)際切削工況進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化。然而，進(jìn)一步的研究表明，盡管正 交切削有限元模型能夠?qū)η邢鬟^程進(jìn)行仿真，但對(duì)銑削過程的仿真卻不盡如人意，這是由 于銑削過程要綜合考慮銑刀螺旋角等重要影響因素，二維建模并不能很好的對(duì)銑削過程進(jìn) 行仿真，仿真與實(shí)際情況有很大的出入。此外，一般而言，切削有限元仿真模型要求的仿真 精度越高，耗費(fèi)的計(jì)算成本也越高；而通常對(duì)鈦合金加工的研究需要對(duì)不同的工藝參數(shù)組 合（如每齒進(jìn)給量等）進(jìn)行試驗(yàn)，因此需要進(jìn)行相應(yīng)多次切削仿真求解，這更使得仿真工作 需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種基于有限元的 鈦合金變齒距銑削三維建模方法，其中通過對(duì)其選定參數(shù)、材料本構(gòu)模型、刀具幾何模型等 進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決單次仿真與實(shí)際加工情況相去甚遠(yuǎn)、重復(fù)仿真耗 時(shí)的問題，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)給定工藝參數(shù)下切削的力學(xué)參數(shù)和表面完整性參數(shù)；并且 單次仿真精度高，能夠更直觀的模擬三維銑削的過程，提高銑削仿真效率，達(dá)到了降低計(jì)算 成本的技術(shù)效果。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于有限元的鈦合金變齒 距銑削三維建模方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)設(shè)定銑刀系統(tǒng)參數(shù)、工件材料參數(shù)、銑刀材料參數(shù)以及切削工藝參數(shù)，其中，
[0007]所述銑刀系統(tǒng)參數(shù)包括刀具前角YC1、刀具后角CItl、刀體直徑D、刀具螺旋角ω;
[0008] 所述工件材料參數(shù)包括工件材料密度P，工件材料彈性模量Ε，工件材料泊松比 V，工件材料導(dǎo)熱率λ，工件材料比熱Cp，非彈性功轉(zhuǎn)熱比β，工件材料熔點(diǎn)Tm，轉(zhuǎn)變溫度 Ttl，準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度Α，應(yīng)變硬化參數(shù)B和η，應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)C，熱軟化系數(shù)m，以及 低于轉(zhuǎn)變溫度的條件下測(cè)得的失效常數(shù)Dl、D2、D3、D4和D5;
[0009]所述銑刀材料參數(shù)包括銑刀材料密度P 3、銑刀材料彈性模量、銑刀材料泊松 比銑刀材料導(dǎo)熱率λ^、銑刀材料比熱cp7];
[0010] 所述切削工藝參數(shù)包括轉(zhuǎn)速IV切寬ae、切深\以及每齒進(jìn)給量fzi，并且每齒進(jìn)給 量fzi中的i為大于等于1、并且小于等于總刀齒數(shù)N的整數(shù)，每齒進(jìn)給量fzi隨i的變化 而變化；
[0011] (2)對(duì)銑刀、工件及其之間關(guān)系進(jìn)行建模，其中，
[0012] 對(duì)銑刀的幾何建模包括利用所述刀具前角YC1、刀具后角CItl、刀體直徑D、刀具螺 旋角ω建立銑刀三維幾何模型，并設(shè)置銑刀各刀齒間的徑向夾角，使銑刀各刀齒與前一刀 齒的徑向夾角仍之比等于所述每齒進(jìn)給量之比，即，
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 設(shè)定銑刀系統(tǒng)參數(shù)、工件材料參數(shù)、銑刀材料參數(shù)以及切削工藝參數(shù)，其中， 所述銑刀系統(tǒng)參數(shù)包括刀具前角Yo、刀具后角a^、刀體直徑D、刀具螺旋角《 ; 所述工件材料參數(shù)包括工件材料密度P，工件材料彈性模量E，工件材料泊松比V，工 件材料導(dǎo)熱率A，工件材料比熱Cp，非彈性功轉(zhuǎn)熱比0，工件材料熔點(diǎn)Tm，轉(zhuǎn)變溫度I；，準(zhǔn)靜 態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度A，應(yīng)變硬化參數(shù)B和n，應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)C，熱軟化系數(shù)m，以及低于轉(zhuǎn)變 溫度的條件下測(cè)得的失效常數(shù)Dl、D2、D3、D4和D5 ; 所述銑刀材料參數(shù)包括銑刀材料密度Pm、銑刀材料彈性模量E^、銑刀材料泊松比v y銑刀材料導(dǎo)熱率入;3、銑刀材料比熱 所述切削工藝參數(shù)包括轉(zhuǎn)速IV切寬a6、切深\以及每齒進(jìn)給量fzi，并且每齒進(jìn)給量fzi中的i為大于等于1、并且小于等于總刀齒數(shù)N的整數(shù)，每齒進(jìn)給量fzi隨i的變化而變 化； (2) 對(duì)銑刀、工件及其之間關(guān)系進(jìn)行建模，其中， 對(duì)銑刀的幾何建模包括利用所述刀具前角Yo、刀具后角a〇、刀體直徑D、刀具螺旋角 ?建立銑刀三維幾何模型，并設(shè)置銑刀各刀齒間的徑向夾角，使銑刀各刀齒與前一刀齒的 徑向夾角扔之比等于所述每齒進(jìn)給量之比，即，
其中當(dāng)i=i時(shí)，灼為第i個(gè)刀齒與第N個(gè)刀齒之間的徑向夾角；當(dāng)l〈i彡N時(shí)，扔為 第i個(gè)刀齒與i_l個(gè)刀齒之間的徑向夾角； 對(duì)工件的幾何建模包括利用所述的切寬ae、切深ap建立工件的三維幾何模型； 對(duì)銑刀和工件關(guān)系的建模包括利用所述的轉(zhuǎn)速％、每齒進(jìn)給量fzi建立銑刀與工件的 位置關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系； (3) 對(duì)所述步驟（2)中的銑刀三維幾何模型和工件的三維幾何模型，賦予所述步驟（1) 中的銑刀材料參數(shù)和工件材料參數(shù)，并結(jié)合所述的每齒進(jìn)給量賦予銑刀幾何模型運(yùn)動(dòng)速 度，進(jìn)行仿真求解計(jì)算，得出工件上各個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度； (4) 對(duì)所述步驟（3)求解計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行后處理，繪制銑削力-時(shí)間曲線圖，銑削 溫度-時(shí)間曲線圖，或者節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變圖，得到基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建 模結(jié)果，從而對(duì)所得的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法，其特征在于， 所述步驟（3)還包括對(duì)工件賦予材料本構(gòu)模型和材料失效模型，其中， 所述材料本構(gòu)模型中工件材料的塑性行為采用如下公式描述：
其中，所述為等效塑性應(yīng)力，^為等效塑性應(yīng)變，i為等效應(yīng)變率，&為參考應(yīng)變 率，T為溫度，Tm為工件材料熔點(diǎn)，T^為轉(zhuǎn)變溫度；A為準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度，B和n均 為應(yīng)變硬化參數(shù)，C為應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù),m為熱軟化系數(shù)； 所述材料失效模型中工作材料的破壞行為采用如下公式描述：
的比值，Dl、D2、D3、D4和D5均為低于轉(zhuǎn)變溫度的條件下測(cè)得的失效常數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法，其特征在于， 所述步驟（1)中的銑刀系統(tǒng)參數(shù)還包括切削刃圓角半徑rE。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于有限元的鈦合金變齒距銑削三維建模方法，其特征在于， 所述步驟（1)中的工件材料參數(shù)還包括工件表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，統(tǒng)刀材料參數(shù)中 還包括銑刀表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1一4任意一項(xiàng)所述的基于有限兀的鈦合金變齒距統(tǒng)削三維建模方法， 其特征在于，所述步驟（2)中的轉(zhuǎn)變溫度I；為20°C。
6. 如權(quán)利要求1一5任意一項(xiàng)所述的基于有限兀的鈦合金變齒距統(tǒng)削三維建模方法， 其特征在于，所述步驟（1)中的工件材料參數(shù)還包括極限剪切應(yīng)力Trait; 所述步驟（3)還包括對(duì)工件賦予接觸摩擦屬性，所述接觸摩擦屬性采用如下公式描 述：
其中，T為統(tǒng)刀與工件之間的摩擦力；il為滑移區(qū)的摩擦系數(shù)；0為正應(yīng)力；TraitS極限剪切應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104484515SQ201410724944
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】張小明, 陳立, 丁漢 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)