[发明专利]基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法

说明书

本发明公开了一种基于热‑力‑流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，包括步骤：根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热‑力模型并进行模拟仿真；根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热‑流模型并进行模拟仿真；将所述拉削热‑力模型和拉削热‑流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热‑力‑流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用。本发明建立了拉削过程中的热‑力、热‑流仿真分析模型，搭建了模型之间的数据传输平台，实现了拉削热‑力‑流三场之间的耦合仿真分析，冷却液的流速、温度和冲击压力得到充分考虑，仿真精度大幅提升。

技术领域

本发明涉及拉削工艺仿真领域，特别地，涉及一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法。

背景技术

榫齿—榫槽装配是涡轮发动机中常用的装配方法，具有尺寸精度高的特点，广泛应用于航空机械领域中，如叶片零件的精确定位等。轮盘是核心部件之一，其工作时长期承受高温、高压的交变载荷。叶片通过叶根榫齿与轮盘榫槽连接，榫接结构(榫齿-榫槽)的可靠性直接决定了系统的服役寿命。叶片榫齿—榫槽结构的定位准确性直接影响到叶片的装配精度和使用服役性能，由榫槽和榫齿自身的尺寸精度决定，据统计，约20％的系统故障是由于轮盘榫槽-叶片榫齿连接结构失效导致的。因此，轮盘榫槽的加工是涡轮发动机制造的关键质量控制工序之一，其加工精度和加工表面完整性直接决定了轮盘榫槽部位配合牢固程度和传力特性、抗疲劳断裂性能、抗蠕变性能、耐腐蚀性能等，最终决定了系统工作可靠性和服役性能。

目前已有技术中，采用ABAQUS,DEFROM,ADVANTEDGE等商用软件均可以对拉削物理过程进行仿真来辅助对拉刀结构进行优化设计，大幅度的降低制造成本。ABAQUS软件具有较强的非线性处理能力，可以很好的模拟拉削过程中工件材料的大变形和刀具材料的应力分布。DEFORM软件在切削、轧制、滚压等领域已经建立起相对完善的仿真界面，但是整体上计算结果与试验仍有些差距，其在切削领域采用的仍为网格重画方法。ADVANTAGE软件具有完善的切削、铣削、钻削等加工方法的仿真分析。但是这些商用软件仅能对单物理场(主要为机械应力场)进行模拟，无法将冷却液的流场加入到仿真中，因此无法准确模拟拉削过程中冷却液对工件和刀具的冷却和润滑作用。因此，采用目前的单一软件平台开展仿真，获得的模拟结果精度不够。

发明内容

本发明提供了一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，以解决目前采用单一软件平台开展仿真时仅能对单物理场(主要为机械应力场)进行模拟，无法准确模拟拉削过程中冷却液对工件和刀具的冷却和润滑作用导致获得的模拟结果精度不够的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，包括步骤：

根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真；

根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真；

将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用。

进一步地，所述的根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：

建立刀具拉削初步三维物理模型；

确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径：

简化几何模型，相应缩小刀具模型与工作区域；

确定工件及其尺寸，将工件的高度定义为切削量的5倍以上；

输入工件和刀具的材料属性；

确定刀具结构参数，所述刀具结构参数包括切削刃钝圆半径、齿升量、前角和后角；