[发明专利]硬脆材料薄壁零件切削加工工艺优化方法

说明书

本发明公开了一种硬脆材料薄壁零件切削加工工艺优化方法，包括如下步骤：针对选定的硬脆材料薄壁零件，建立该零件的参数化薄壁结构模型，为该模型设定有限元网格；为所述的薄壁结构模型加载设定的约束条件；通过算法优化对切削加工过程中的每道工序进行优化，得到所述工序对应的最大应力值；根据所述的最大应力值、材料许用强度值以及安全系数，结合切削力模型，得到当前工序的加工参数。相对与现有技术具备如下优点；在满足机床加工工况和薄壁零件的几何参数等条件下，使用算法可以迅速获得薄壁零件的最大应力；结合最大应力值和切削模型可最大范围地指定加工参数，提高了加工效率；加工过程中利用了薄壁零件的剩余强度，确保了加工过程的可靠性。

技术领域

本发明涉及一种基于有限元和优化算法的零件加工工艺优化方法，尤其涉及一种硬脆材料薄壁零件加工工艺优化方法。

背景技术

随着生产与科技的发展，微电子、光电子、传感器技术和材料技术的日益进步，硬质合金、淬火钢、光学玻璃、陶瓷、光电晶体以及花岗岩等硬脆材料，因耐磨性强，硬度高等优良性能在工业中的应用渐趋普遍。同时，硬脆材料的薄壁结构因具有重量轻、节约材料、结构紧凑等优点而被广泛运用在高性能航空航天产品、机电产品中。薄壁零件在因其刚度低，其在制造过程中易发生变形让刀、断裂破坏等问题，而硬脆材料薄壁零件的轻量化加工中因材料脆性大，易形成微裂纹扩展导致结构破坏，所以对加工工艺提出了更严格的要求。

硬脆材料的低塑性、易脆性破坏、微裂纹和高成本对其加工方法提出了很高的要求。目前，硬脆材料薄壁零件的加工以磨削加工技术为主。一般情况下，硬脆薄壁零件加工时加工系统的切削速度、进给量、切削深度和切削宽度等加工工艺参数的选择往往工艺人员根据经验或者手册进行选择的。为了安全起见，通常选择较为保守的切削参数并保持其不变，切削参数的选取往往需要大量的工艺试验和测试，这就影响了加工效率，尤其对硬脆材料来说，往往还未加工到规定尺寸时，就已经断裂，严重拖长了制造周期。因此加工工艺的优化，直接关系到能够合理地使用刀具与机床，对提高生产率，降低生产成本有重要的作用。为了解决这一问题，各种加工工艺优化方法相继提出。传统的、现有的加工优化方法主要体现在加工方法的选择和加工参数的具体优化上，其加工参数的选择未充分利用剩余材料，并且不能建立加工参数与剩余强度和切削力间的关系。因此，其加工参数的选取往往具有盲目性，过小会影响加工效率，过大会有材料断裂破坏的危险，所达到的效率和精度均不理想。

因此开展上述加工工艺优化的研究，建立加工参数与剩余强度和切削力之间的关系，利用有限元分析，制定出合适的加工工艺，以选择合适的、较大的加工参数，使每步工序都能充分利用剩余材料，形成承载能力更高的结构，使加工过程中零件的最大应力最小化，进而提高加工效率，并防止薄壁零件发生断裂破坏。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种硬脆材料薄壁零件切削加工工艺优化方法，包括如下步骤：

—针对选定的硬脆材料薄壁零件，建立该零件的参数化薄壁结构模型，为该模型设定有限元网格；

—为所述的薄壁结构模型加载设定的约束条件；通过算法优化对切削加工过程中的每道工序进行优化，得到所述工序对应的最大应力值；

—根据所述的最大应力值、材料许用强度值以及安全系数，结合切削力模型，得到当前工序的加工参数。

作为优选的实施方式，所述的零件形状通过有限个设计变量D_i，i＝1,2……m表示，组成带有有限元网格的参数化薄壁结构模型。

作为优选的实施方式，对所述的薄壁结构模型加载过程如下：

—设定系统载荷值为F，使用遗传算法进行优化；

—计算该步骤的设计变量为加载位置的坐标(x,y)，输出变量为有限元模型的最大应力σ_max2，σ_max2随加载位置的坐标(x,y)的变化而变化；