基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，包括以下步骤：1）对大型整体薄壁结构件提取局部结构特征；2）对局部结构特征有限元仿真分析，得到优化的切削工艺；3）对大型整体毛坯件数值建模，并加载初始内应力；4）拟定刀具轨迹，即拟定各个特征结构的加工顺序；5）整体结构件仿真分析，得到工艺技术条件下的预测变形结果；6）调整及优化装夹方案，控制加工变形；此方法采用有限元仿真的方法，能够在实际加工零件之前进行提前分析预测，从而调整相应的加工策略，有效控制加工变形，缩短零件的生产周期，降低生产成本。
【专利说明】基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法
[0001]【技术领域】:
本发明属于机械加工领域，具体是一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法。
[0002]【背景技术】:
目前现代航空航天产品在选择高比强度材料的同时，大量采用具有较低结构重量比的整体结构。整体结构具有重量轻，刚度高，可靠性好等优点，但是整体结构件由单一毛坯切削加工而成，材料利用率低，在去除大量材料的同时，由切削力和切削热引起的整体结构件局部尺寸超差，外形轮廓达不到精度要求，并且加工过程中也释放了大量的残余应力，引起整体结构件外形变形严重，影响产品的装配和使用性能。现有的大型薄壁结构件加工变形控制方法，一是边试切边调整的方法，这种方法常常会导致零件加工周期过长，而且加工的零件产品质量不稳定，且较强的依赖操作技术人员的经验；二是通过零件加工过程中内部应力相互抵消的方法来控制加工变形，这种控制方法只能对具有双面对称结构的零件加工才有效，适用性比较狭窄，而且并不能完全保证零件的加工精度，零件尺寸超差问题严重。三是通过零件加工后校正的方法去除零件变形，即在中间工序酌情增加校正工序或使用专用工装。这种校正的方法是依靠外部施加应力的方法去除变形，这种方法严重的影响零件内部材料组织结构，同时校正过程中常会出现裂纹，应力分布不均的情况，严重影响零件的质量。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种大型整体薄壁结构件加工精度控制的方法，该方法是在零件投入生产之前，预先对零件加工过程中所采用的切削工艺条件导致的零件局部结构尺寸超差和整体结构件加工变形等问题进行一系列的分析和预测，然后根据分析预测的结果，调整相应的切削工艺措施，进而控制整体薄壁结构件的加工精度。此方法不仅可以在多种结构零件上都能得到比较好的应用，适用性广泛，而且还能缩短零件生产周期，降低生成成本，提闻广品的质量。
[0004]实现本发明目的技术方案如下:一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，包括以下步骤:
1)提取大型整体薄壁结构件的局部结构特征，即组成此类薄壁结构件的基本特征单元，包括侧壁、腹板的尺寸信息；
2)对提取出的局部结构特征进行有限元仿真分析，包括局部结构特征的有限元建模、有限元前处理、分析运算以及结果后处理；
2.1对提取出的局部结构特征和设置的切削工艺条件进行有限元建模；
2.2对建立的有限元模型赋予材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷；
2.3采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解得到在一定的切削参数和切削路径条件下的加工变形预测结果；
2.4将运算完成的结果以可视化的形式输出，调整切削工艺条件，返回步骤2.1，直至达到所设定的迭代次数；
2.5对得到的结果进行对比分析，选出导致局部结构特征加工变形最小的一组切削工艺条件。
[0005]运算分析是将有限元前处理设置的数据利用有限元软件abaqus中自带的算法求解器进行求解，结果后处理是将运算完成的结果以可视化的形式输出，如结果云图、曲线图、表格等，然后调整切削工艺条件，重新仿真分析，得到相应的加工变形预测结果；然后对得到的结果进行对比分析，选出导致局部结构特征加工变形最小的一组切削工艺条件；
3)对大型整体薄壁结构件所用的毛坯进行有限元建模,并加载初始内应力；加载初始内应力的步骤包括测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力；毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量，毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算，计算公式为
【权利要求】
1.一种基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于包括以下步骤: 1)提取大型整体薄壁结构件的局部结构特征，即组成此类薄壁结构件的基本特征单元，包括侧壁、腹板的尺寸信息； 2)对提取出的局部结构特征进行有限元仿真分析，包括局部结构特征的有限元建模、有限元前处理、分析运算以及结果后处理； 3)对大型整体薄壁结构件所用的毛坯进行有限元建模,并加载初始内应力；加载初始内应力的步骤包括测量毛坯表面残余内应力、计算毛坯内部残余内应力以及加载毛坯整体残余内应力； 4)拟定刀具轨迹，即拟定各个局部特征结构的加工顺序； 5)对建立的整体结构件毛坯模型进行仿真分析，得到不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果； 6)调整及优化装夹方案，控制整体加工变形。
2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于所述步骤2)的具体过程如下: 2.1对提取出的局部结构特征和设置的切削工艺条件进行有限元建模； 2.2对建立的有限元模型赋予材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷； 2.3采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解得到在一定的切削参数和切削路径条件下的加工变形预测结果； 2.4将运算完成的结果以可视化的形式输出，调整切削工艺条件，返回步骤2.1，直至达到所设定的迭代次数； 2.5对得到的结果进行对比分析，选出导致局部结构特征加工变形最小的一组切削工艺条件。
3.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步骤3)中毛坯表面残余应力的测量采用钻盲孔法测量，毛坯内部残余内应力利用裂纹柔度法计算，计算公式为
其中，f为从毛坯中性面到表层的厚度坐标，O为X= 时的应力值，h为毛坯总厚度；毛坯整体残余内应力根据“力平衡、力矩平衡”的原则进行加载。
4.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步骤4)中分别采用顺序铣削方式、奇偶铣削方式、环形铣削方式、对称铣削方式拟定初始刀具轨迹。
5.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步骤5)中整体结构件的仿真分析包括有限元前处理、运算分析以及结果后处理: . 5.1对建立的整体结构件毛坯模型进行有限元前处理，包括根据不同的刀具轨迹赋予有限元模型材料属性、加载边界条件、定义接触属性和加载载荷； .5.2采用有限元法对有限元前处理设置的数据进行求解，得到不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果； . 5.3将上述结果以可视化的形式输出，并对仿真结果进行对比分析，选出导致整体薄壁结构件加工变形最小的一组刀具轨迹方案。
6.根据权利要求1或5所述的基于有限元分析的大型整体薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步骤6)的具体方法如下: . 6.1根据步骤5.3输出的不同的刀具轨迹工艺技术条件下的预测变形结果，对比得出零件加工变形最大的区域以及最大变形量； . 6.2在变形最大的区域增加工艺压块、辅助支撑措施； . 6.3在整体结构件有限元模型中将变形最大的区域增加边界条件，限制相应自由度，采用有限元法对增加边界条件后的整体结构件有限元模型进行有限元运算分析，得到零件加工变形最大的区域以及最大变形量，返回步骤6.2，直至最大变形量达到所设定的值，得到最优的装 夹方案。
【文档编号】G06F17/50GK104077442SQ201410291022
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】赵妍, 何临江, 杨年宝, 苏宏华, 申运锋, 付嘉宝, 徐九华 申请人:南京晨光集团有限责任公司, 南京航空航天大学