[发明专利]基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，属于机械加工制造领域，该方法包括以下步骤：获取大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件，建立刀具坐标系与工件坐标系间的转换矩阵；在有限元软件中基于python脚本语言编写程序，为大型曲面薄壁件动态施加方向不断变化的切削力载荷，模拟镜像铣削加工过程中辅助支撑跟随刀具实时移动的实际支撑状态和实际装夹状态；最后将建立的有限元模型提交求解得到大型曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形预测模型。该方法可以提高大型薄壁曲面件镜像铣削加工变形的预测精度、降低仿真计算时间和经济成本，对研究大型曲面薄壁件的加工变形控制策略具有重要指导作用。

技术领域

本发明涉及机械加工制造方法，尤其涉及一种基于有限元分析的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形预测方法。

背景技术

在航空航天产品上使用了众多的大型曲面薄壁构件，例如重型运载火箭的贮箱箱底由一系列的瓜瓣状曲面件拼焊形成、箭体由一系列的大型弧状薄壁壁板焊接形成。但是大型曲面薄壁件的高精度加工是一大难题，由于大型薄壁件的尺寸超大、壁厚超薄、形状十分复杂，生产制造过程中虽然采用镜像铣削的加工工艺，但是在自重、切削力、切削振动的耦合作用下仍极易发生变形，严重影响大型曲面薄壁件加工的形状精度和力学承载性能。因此建立大型曲面薄壁构件加工过程中的变形预测模型对提高其加工制造质量和精度具有重要的理论意义和实用价值。

目前，已经提出了许多通过有限元数值仿真来建立大型曲面薄壁构件加工变形预测模型的分析方法，但现有的技术方案尚不能满足大型薄壁曲面构件镜像铣削加工变形预测的要求。中国专利CN201510234973.6公开了一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法，该发明采用多个连续静力隐式分析步模拟三维动态切削加工显式计算的方法，缩短了仿真计算时间且可以实现加工变形的有限元快速预测。但该发明中切削力的加载过程繁琐且复杂，需要依靠大量实验建立切削力的经验公式；且应用对象为形状规则的薄壁结构件，对切削力方向时刻变化的复杂曲面薄壁件的适应性较差。于金等人在《ABAQUS二次开发及在曲面薄壁件加工变形模拟中的应用》中提出了一种大型曲面薄壁件加工变形的有限元快速仿真预测方法，通过对真空吸盘吸附区域节点施加完全约束来模拟工件的实际装夹状态，并利用生死单元技术和切削力的循环加载获得了工件的加工变形云图。但是镜像铣削过程中辅助支撑跟随刀具实时移动，始终与刀具轴线保持一致，并不是真空吸盘施加的固定不动的约束，因此该方法并不适用于镜像铣削加工变形预测。

尽管薄壁件加工变形预测的研究方法较多，但由于曲面薄壁构件的加工变形规律复杂，目前针对大型曲面薄壁件镜像铣削加工中的变形预测模型还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种镜像铣削过程中大型曲面薄壁件的加工变形预测方法，可以实现对复杂曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的预测，使仿真结果更加准确，为研究控制加工变形策略和提高制造精度提供重要参考和依据。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

本发明的基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，包括以下步骤：

步骤一、创建大型曲面薄壁构件的三维模型并导入UG软件，在UG软件中采用可变轮廓铣方法生成大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件；

步骤二、根据刀位文件中刀具的位置信息，建立工件坐标系{W}和刀具坐标系{D}之间的转换矩阵T；

步骤三、在ABAQUS有限元软件中创建大型曲面薄壁构件的有限元仿真模型，赋予大型曲面薄壁构件材料属性并进行网格划分，在划分网格时对铣削区域部分进行网格细化，以保证仿真结果的精度；

步骤四、根据刀位文件中的刀具轨迹信息，选择刀具路径上需要切除材料的网格单元和节点，基于Python脚本语言编写程序，批量创建需要切除材料部位的节点集合和网格单元集合；