一种介观尺度车削变形预测方法与流程

本发明涉及先进制造领域，具体涉及一种介观尺度车削变形预测方法。

背景技术：

近年来，随着产品小型化发展，介观尺度零件在生物医疗、航空航天、微型机器人、高精度仪器仪表等高科技领域的应用越来越广泛。然而，介观尺度零件的刚度较差、误差源繁多，零件加工精度难以保证。微细切削技术能够加工微小三维复杂结构，而且加工效率高，在介观尺度零件加工领域具有很大的潜力。目前，已经有很多学者对微细切削的机理进行了研究。微细车削是一种常见的微细切削方式，具有很高的研究价值。所以，建立介观尺度零件车削加工变形预测模型非常有意义。国际期刊《journalofmaterialsprocessingtechnology》在2014年刊登了identificationofcuttingerrorsinprecisionhardturningprocess.j.m.zhou等人考虑了多种误差源，建立了精密车削变形在线检测控制系统。然而，这种系统结构复杂，车削变形预测准确度不高，精度控制稳定性不强。而且该系统只针对pcbn刀具，具有一定的局限性。另外，该模型只适用于宏观车削，并不适用于介观尺度车削变形的预测。目前有关介观尺度车削的研究大多集中于切削机理，而关于介观车削加工工艺的研究较少，实际加工中大多依赖经验，缺少理论预测模型作为指导，给介观尺度车削加工带来不便。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作方便、适用广泛、提高预测精度和效率的介观尺度车削变形预测方法，通过该方法能够快速准确的确定介观尺度下车削的加工变形量。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案，本发明采用如下步骤：

①搭建基于介观尺度的车削变形测试装置；

所述变形测试装置包括测力仪、压板、滑轨、滑台、压板、丝杠、立板、螺钉和车刀，所述滑轨通过压板设置在测力仪上，所述滑台设置在滑轨上，所述压板通过螺钉与滑台相配合，所述车刀设置在滑台与压板之间，所述滑台左侧设有立板，所述丝杠通过立板与滑台连接，所述滑轨上设有刻度线；

②建立介观尺度车削切削力计算模型；

201介观尺度车削切削力模型采用单位切削力法，考虑切削面积和切削刃长度的作用，切削力的计算公式为f＝τs+σl(一)

式中，f为切削力合力，τ为单位面积切削力，s为切削面积，σ为切削刃单位长度切削力，l为切削刃长度；

202计算介观尺度车削切削面积s，介观尺度车削中，引入车刀刀尖圆弧半径因素，瞬时切削面积分为两个部分计算，s1的计算公式为：

式中，r为车刀的刀尖圆弧半径，f为每转进给量，s2的计算公式为：s2＝f×(ap-r)(三)

式中，ap为切削深度，则介观尺度车削瞬时面积总和为：

203计算介观尺度车削切削刃长度，计算公式为：

204将切削力合力进行分解，主切削力ft、进给抗力ff和切深抗力fp的计算公式为：

ft＝fsinα(六)

ff＝fcosαcosβ(七)

fp＝fcosαsinβ(八)

式中，α为切削力合力f与xz平面的夹角，β为进给抗力ff和fr的夹角；

③确定切削力计算模型参数；

301确定车刀和工件的初始位置，调整所述步骤①中的丝杠，纪录滑轨上刻度，进行介观尺度下的工件车削，记录测力仪中主切削力ft、进给抗力ff和切深抗力fp，测量车刀刀尖圆弧半径r，将ft、ff、fp、r代入式(一)～(八)，得到一组参数τ、σ、α和β；

302通过调整所述步骤①中的丝杠，改变车刀和工件的位置，进而改变切削参数，并纪录滑轨上刻度，重复步骤301，得到多组参数τ、σ、α和β的解，将其拟合得到最终解；

④建立介观尺度车削变形有限元预测模型；

401编写inp文件，作为有限元仿真的输入文件，将步骤②和步骤③中理论预测得到的介观尺度车削切削力作为有限元预测模型的输入，在inp文件中，编写工件的节点编号、节点坐标和单元编号，建立工件的三维模型；

402赋予工件材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比等物理参数，设置分析步，每一个分析步控制一个单元，在分析步的开始将切削力施加到控制单元的节点上，在分析步的结束使用单元生死法去除控制单元，通过循环，直到待切削层材料完全去除；

403将inp文件输入到有限元软件的分析计算模块，计算结束后对仿真结果进行提取，选定已加工表面上的母线，找出母线上单元、单元编号、分析步和节点的偏移量x、y，计算总变形量r，并依据总变形量r在母线上的位置，绘制工件变形图；

404选定切削深度为自变量进行车削仿真，公差分别为0.1mm,0.2mm,0.3mm，切削深度范围为0.2～0.8mm，得到介观尺度车削仿真变形图，计算得到车刀刀尖让刀的轨迹方程，将其作为走刀补偿加入到车削工艺。

本发明步骤①中的车削变形测试装置还包括滑槽、上托板、下托板、导轨、移动副、设置在第一丝杠上的平台以及设置在机床上的第二丝杠，所述滑槽对称设置在平台两端，所述导轨设置在上托板上，所述上托板设置在下托板上，所述下托板设置在移动副上，所述移动副与第二丝杠相配合并随之运动，所述平台上设有测力仪。

所述滑轨横截面呈t形，所述上托板与下托板通过过盈配合的方式连接。

本发明的积极效果如下：本发明利用调节装置完成刀具的定位切削，减少了车床手柄的调节次数，降低了重复定位误差，提高了操作效率；本发明考虑了介观尺度车削中车刀刀尖圆角半径和钝圆半径对切削力的影响，建立了介观尺度车削切削力预测模型，能方便准确的计算介观尺度车削的切削力；本发明建立了介观尺度车削加工变形预测模型，能够高效低成本地进行加工变形预测；本发明的有限元模型考虑了三维尺度的实际工程情况，使模型更加符合现实环境；本发明的有限元模型考虑了材料去除对微细轴刚度的影响，以及微细轴的质量对加工变形的影响，加入了惯性力的作用，使模型预测更加准确；本发明的有限元模型通过编写inp文件作为输入，可以方便快捷地进行多组参数仿真分析，大大提高了仿真效率；本发明的预测模型适用于各种材料的微细轴介观尺度切削，具有较强的通用性；本发明的预测模型能够指导介观尺度车削的工艺，通过走刀补偿提高微细轴的加工精度，对介观尺度零件的加工具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明介观尺度变切深调节装置示意图；

图2为本发明介观尺度车削切削面积示意图；

图3为本发明介观尺度车削切削力示意图；

图4为本发明有限元仿真建模流程图；

图5为本发明介观尺度车削第一次切深仿真结果示意图；

图6为本发明介观尺度车削第二次切深仿真结果示意图；

图7为本发明介观尺度车削第三次切深仿真结果示意图；

图8为本发明介观尺度切削力与切削速度对比关系示意图；

图9为本发明介观尺度切削力与切削深度对比关系示意图；

图10为本发明介观尺度切削力与进给速度对比关系示意图；

图11为本发明介观尺度车削切削变形实验值和预测值对比示意图；

图12为本发明介观尺度车削刀具补偿路径示意图；

图13为本发明介观尺度车削无补偿和有补偿实验结果对比示意图；

图14为本发明挡板结构示意图；

在图中：1测力仪、2压板、3滑轨、4滑台、5压板、6刀具、7螺钉、8立板、9丝杠、10工件、11无补偿加工微细轴、12有补偿加工微细轴、13平台、14第一丝杠、15滑槽、16上托板、17下托板、18导轨、19机床、20第二丝杠、21移动副，o1和o2为相邻两转刀具刀尖圆弧的圆心位置，δ为工件受力变形之后微细轴的加工误差，s为微细轴受到的应力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明，本发明预测方法步骤如下：如图1、2、3、4所示，①搭建基于介观尺度的车削变形测试装置；

所述变形测试装置包括设置于车床刀座上的测力仪1、压板2、滑轨3、滑台4、压板5、丝杠9、立板8、螺钉7和车刀6，所述滑轨3通过压板5设置在测力仪1上，所述滑台4设置在滑轨3上，所述压板5通过螺钉7与滑台4相配合，所述车刀6设置在滑台4与压板5之间，所述滑台4左侧设有立板8，所述丝杠9通过立板8与滑台4连接，所述滑轨3上设有刻度线；

②建立介观尺度车削切削力计算模型；

201介观尺度车削切削力模型采用单位切削力法，考虑切削面积和切削刃长度的作用，切削力的计算公式为f＝τs+σl(一)

式中，f为切削力合力，τ为单位面积切削力，s为切削面积，σ为切削刃单位长度切削力，l为切削刃长度；

202计算介观尺度车削切削面积s，介观尺度车削中，引入车刀刀尖圆弧半径因素，瞬时切削面积分为两个部分计算，s1的计算公式为：

式中，r为车刀的刀尖圆弧半径，f为每转进给量，s2的计算公式为：

s2＝f×(ap-r)(三)

式中，ap为切削深度，则介观尺度车削瞬时面积总和为：

203计算介观尺度车削切削刃长度，计算公式为：

204将切削力合力进行分解，主切削力ft、进给抗力ff和切深抗力fp的计算公式为：

ft＝fsinα(六)

ff＝fcosαcosβ(七)

fp＝fcosαsinβ(八)

式中，α为切削力合力f与xz平面的夹角，β为进给抗力ff和fr的夹角；

③确定切削力计算模型参数；

301确定车刀6和工件10的初始位置，调整所述步骤①中的丝杠9，纪录滑轨3上刻度，进行介观尺度下的工件10车削，记录测力仪1中主切削力ft、进给抗力ff和切深抗力fp，测量车刀6刀尖圆弧半径r，将ft、ff、fp、r代入式(一)～(八)，得到一组参数τ、σ、α和β；

302通过调整所述步骤①中的丝杠9，改变车刀6和工件10的位置，进而改变切削参数，并纪录滑轨3上刻度，重复步骤301，得到多组参数τ、σ、α和β的解，将其拟合得到最终解；

④建立介观尺度车削变形有限元预测模型；

401编写inp文件，作为有限元仿真的输入文件，将步骤②和步骤③中理论预测得到的介观尺度车削切削力作为有限元预测模型的输入，在inp文件中，编写工件的节点编号、节点坐标和单元编号，建立工件的三维模型；

402赋予工件材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比等物理参数，设置分析步，每一个分析步控制一个单元，在分析步的开始将切削力施加到控制单元的节点上，在分析步的结束使用单元生死法去除控制单元，通过循环，直到待切削层材料完全去除；

403将inp文件输入到有限元软件的分析计算模块，计算结束后对仿真结果进行提取，选定已加工表面上的母线，找出母线上单元、单元编号、分析步和节点的偏移量x、y，计算总变形量r，并依据总变形量r在母线上的位置，绘制工件变形图；

404选定切削深度为自变量进行车削仿真，公差分别为0.1mm,0.2mm,0.3mm，切削深度范围为0.2～0.8mm，得到介观尺度车削仿真变形图，计算得到车刀刀尖让刀的轨迹方程，将其作为走刀补偿加入到车削工艺。

如图14所示，本发明步骤①中的车削变形测试装置还包括滑槽15、上托板16、下托板17、导轨18、移动副21、设置在第一丝杠14上的平台13以及设置在机床19上的第二丝杠20，所述滑槽15对称设置在平台13两端，所述导轨18设置在上托板16上，所述上托板16设置在下托板17上，所述下托板17设置在移动副21上，所述移动副21与第二丝杠20相配合并随之运动，所述平台13上设有测力仪1。所述滑轨3横截面呈t形，所述上托板16与下托板17通过过盈配合的方式连接。

实施例一

①确定介观尺度车削切削力计算模型：

101选择加工机床的型号，车刀牌号以及工件材料。将工件10安装在夹具上，将刀具6夹紧于滑台4和压板5之间，并且通过压板上的阶梯面进行定位。通过丝杠9调节滑台的位置，从而确定刀具刀尖和工件的相对位置。启动机床，通过丝杆9调节切削深度，同时采用三向旋转测力仪进行切削力的测量，测量信号采集之后使用多通道电荷放大器进行放大，然后通过数据处理得到切削力。

102介观尺度车削实验的具体参数如表2所示，分别设置转速、切削深度和进给速度为自变量，测量每组实验的切削力数值。

表2微细车削试验参数

103实验结束后，将得到切削力数据进行滤波处理，然后绘制各组实验切削力曲线图。将实验得到的切削力数值和理论预测模型进行比较，绘制曲线图如图8-10所示。从图中可以看出，和宏观切削的切削力不同，介观尺度车削中，主切削力和切深抗力几乎相同。另外，理论值和实验值十分吻合，从而验证了本发明介观尺度车削切削力预测模型的正确性。

②确定介观尺度车削变形有限元预测模型：

201介观尺度车削变形的仿真参数和实验参数如表1所示。利用有限元仿真软件进行三次不同切深仿真，仿真结束之后提取分析结果，计算得出加工变形。实验加工结束之后，使用基恩士显微镜对微细轴进行测量，得到加工误差，三次切削深度仿真如图5-7所示。

表1介观尺度仿真和实验切削参数

202将介观尺度车削有限元仿真变形值和实验变形值进行比较，如图11所示。从图中可以看出，仿真值和实验值十分吻合；另外，和宏观切削的加工特点不同，介观尺度车削中工件的刚度很小，导致加工变形很大，从而形成较大的误差。尤其在微细轴的末端，受切削力的作用产生的挠度变形很大，加工误差不可忽视。

③基于预测模型提高介观尺度车削加工质量：

301根据仿真结果得到介观车削加工的变形，然后可以计算得出补偿曲线，采用插值的方式转变成走刀轨迹，进而提高微细轴的加工质量。

302实验的目标零件为直径0.4mm、长度5mm的大长径比微细轴，切削参数为切削深度0.3mm、进给速度20mm/min、转速5000r/min。

303仿真得到的补偿曲线如图12所示，其中横坐标表示了工件轴向不同位置处的坐标，纵坐标表示了在该位置上，刀具在切深方向的补偿。

304根据走刀补偿轨迹进行车削加工试验，为了验证补偿轨迹的有效性，将无补偿车削和有补偿车削得到的工件进行对比，结果如图13所示。从图中可以看出，无补偿车削得到的微细轴变形很大，特别是在工件的末端，由于工件悬伸量过大很容易产生让刀，加工误差可达45um。加入误差补偿后，工件的加工误差降低了80％，大大提高了微细轴的加工精度。

本实施例中有限元仿真软件为abaqus,inp文件概要为：

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。