[发明专利]基于动态工件-装夹系统的铣削加工表面误差预测方法

说明书

本发明提供一种基于动态工件‑装夹系统的铣削加工表面误差预测方法，解决了弱刚度零件加工难的技术问题。包括以下步骤：步骤一、建立工件‑定位元件系统坐标系；步骤二、根据工件‑定位元件系统坐标系构建工件‑定位元件接触模型，当定位元件为球头元件时，定位元件与工件之间的接触刚度随法向接触力的变化而非线性变化；步骤三、结合工件‑定位元件接触模型构建工件‑定位元件系统模型；步骤四、根据工件‑定位元件系统模型对工件‑定位元件系统进行稳定性判断。步骤五、在工件‑定位元件系统稳定前提下进行加工误差预测计算。

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种基于动态工件-装夹系统的铣削加工表面误差预测方法。

背景技术

金属切削加工变形是制造业普遍存在的问题，是影响加工精度的瓶颈问题。尤其对于弱刚度零件，工件变形成为导致加工误差的主要因素，严重影响工件的加工精度和表面质量。因此，预测零件的加工变形，并通过改进加工工艺减小零件的加工变形、提高产品质量的研究具有重要意义。引起工件变形的因素有工件的材料特性及结构特性、毛坯初始残余应力、切削力及切削热、夹紧力等。

目前为控制弱刚度件铣削加工误差，主要采用有限元预测方法，其中有通过建立铣削力模型，预测铣削力引起的工件变形的仿真分析方法；有通过建立夹具和工件之间的接触模型，预测夹紧力引起的工件变形的仿真预测方法；有通过在有限元模型中施加测量得的残余应力，预测残余应力引起的工件变形仿真方法；有通过建立切削热磨削，预测切削热引起的工件变形的仿真方法。

切削力和夹紧力是影响工件变形的重要因素。在实际加工过程中夹紧力的大小通常是凭经验确定，过大的夹紧力会引起工件的变形，而过小的夹紧力难以保证工件的准确定位。在分析铣削力和夹紧力对加工变形影响的预测方法中，一方面缺少这两个因素的综合作用影响，一方面将工件-装夹系统看作准静态系统，基于动态工件-装夹系统的综合考虑铣削力和夹紧力影响的表面加工误差预测方法较少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于动态工件-装夹系统的铣削加工表面误差预测方法，解决了弱刚度零件加工难的技术问题。

该一种基于动态工件-装夹系统的铣削加工表面误差预测方法，包括以下步骤：

步骤一、建立工件-定位元件系统坐标系：采用3-2-1定位准则，建立3种坐标系：全局坐标系GCS(XYZ)、工件坐标系WCS(x y z)及工件与定位元件接触处的局部坐标系CCS(x_jy_j z_j),其中j为定位元件个数；GCS为固定坐标系，为其他坐标系提供参考，WCS为固定在工件上的坐标系，坐标系原点位于工件的重心处；CCS指每一个定位点与工件接触处的坐标系，坐标系原点位于工件与定位元件接触区域中心；

步骤二、根据工件-定位元件系统坐标系构建工件-定位元件接触模型：定位元件为球头定位元件，由赫兹接触理论可知，第j个定位元件与工件的接触变形为：

其中，δ_j、F_cj分别为第j个定位元件与工件之间的法向接触变形和法向接触力；R_j为第j个定位元件与工件接触处的相对曲率，其中，R_jw为第j个定位元件与工件接触处的工件表面半径，R_jf为第j个定位元件的球头半径；E^*为等效杨氏模量，υ_w、E_w分别为工件的泊松比和弹性模量，υ_f、E_f分别为定位元件的泊松比和弹性模量；

对式(1)进行微分，可得第j个定位元件与工件之间的接触刚度：

由公式(2)可知，当定位元件为球头元件时，定位元件与工件之间的接触刚度随法向接触力的变化而非线性变化；