0, 1] (4)
[0029] Z = LXt = 2t ;
[0030] 其中，r為刀具半徑，theta為螺旋線轉(zhuǎn)動角度，Z為刀具高度，t為系統(tǒng)變量。
[0031] 然后，通過變截面掃描命令，以二維圖的中心軸、螺旋線為軌跡，生成銑刀螺旋曲 面，之后修出后角、圓角，建立微銑刀的實(shí)體模型。另存step格式，導(dǎo)入ABAQUS軟件中，將 刀具轉(zhuǎn)化為殼體，并設(shè)置為離散剛體，網(wǎng)格劃分采用三角形、自由網(wǎng)格。
[0032] (2)模型中工件為I. 5mmX lmmXO. 5mm的長方體，并設(shè)置為柔體部件。對工件劃分 網(wǎng)格時，僅將表層及中間切削區(qū)域網(wǎng)格加密，其余區(qū)域網(wǎng)格變疏，這樣可以減少單元總數(shù)， 提高效率，縮短計(jì)算時間，網(wǎng)格單元類型選擇8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元，創(chuàng)建了 4160 個網(wǎng)格單元。
[0033] (3)在Property模塊創(chuàng)建鎳基高溫合金工件材料，定義材料參數(shù)時，鎳基高溫合 金塑性行為采用Johnson-Cook本構(gòu)模型模擬，輸入密度8190Kg/m3,彈性模量210000Mpa， 泊松比0. 3。在模型參數(shù)選擇板中，按照公式（1)依次填入A為700Mpa，B為1798Mpa，η 為0. 9143, C為0. 0312, m為I. 3。碎片形成過程采用Johnson-Cook斷裂失效模型模擬。 按照公式（3)依次輸入鎳基高溫合金在低于參考溫度下測得的失效常數(shù)dl~d5,分別為 0. 239、0. 456、-0. 3、0. 07、2. 5。因?yàn)樵谖娤鲗?shí)驗(yàn)中，采用氣冷的方式進(jìn)行冷卻，利用配微 距鏡頭的熱像儀，跟蹤鎳基高溫合金微銑削過程的切削溫度，在持續(xù)近30分鐘的微銑削過 程中，發(fā)現(xiàn)最高切削溫度沒有超過50°C，所以為簡化模型，節(jié)省計(jì)算時間，可以忽略與切削 熱有關(guān)的參數(shù)。
[0034] (4)在Assembly模塊中，調(diào)入工件和刀具模型。在模型中，通過調(diào)整銑刀和工件的 相對位置確定切削深度和進(jìn)給距離。
[0035] (5)在St印模塊中，建立初始步后依次插入微銑削加工分析步、退刀分析步、約束 轉(zhuǎn)換分析步，過程類型選Dynamics，Explicit，場變量輸出中勾選應(yīng)力，以便讀取殘余應(yīng)力 值。
[0036] (6)定義刀具速度變化幅度曲線，然后在參考點(diǎn)集合上設(shè)置進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速， 在工件底面和側(cè)面節(jié)點(diǎn)集合處嚴(yán)格約束工件自由度。在銑削加工分析步中，仿真加工過程 如圖2所示，用微銑刀1加工工件2,設(shè)置微銑刀轉(zhuǎn)速η和進(jìn)給速度Vf，沿進(jìn)給方向銑削通 槽，工件移動速度和旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為〇,工件被夾緊；在退刀分析步中，夾緊約束持續(xù)，進(jìn)給 速度仍為Vf，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為〇,快速退刀；在約束轉(zhuǎn)換分析步中，工件夾緊狀態(tài)停止，進(jìn)給速 度和主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為0,工件移動速度和旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為0,符合實(shí)際拆卸夾具的過程。
[0037] (7)在Job模塊中創(chuàng)建數(shù)據(jù)，檢查任務(wù)，采用主軸轉(zhuǎn)速60000r/min，切削深度為 30 μπι，每齒進(jìn)給量分別為 0· 5 μηι/ζ，0· 7 μπι/ζ, 0· 9 μπι/ζ, I. 1 μπι/ζ, 1. 3 μπι/ζ。
[0038] (8)數(shù)據(jù)檢查無誤后，遞交任務(wù)，進(jìn)行有限元分析。在仿真完成后，在切削中心區(qū)域 隨機(jī)選擇若干個不同位置的點(diǎn)，得到垂直于進(jìn)給方向和沿進(jìn)給方向兩個方向的殘余應(yīng)力， 分別取其平均值，來預(yù)測實(shí)際加工中殘余應(yīng)力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微銑削鎳基高溫合金預(yù)測表面殘余應(yīng)力的仿真方法，其特征是，仿真方法運(yùn)用 有限元仿真方法，考慮材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，利用Johnson-Cook斷裂失效準(zhǔn)則判斷失效， 得到不同切削參數(shù)下殘余應(yīng)力預(yù)測值，方法的具體步驟如下： 步驟1 :建立微銑刀模型，通過掃描電鏡將實(shí)驗(yàn)用微銑刀拍攝成圖片，使用軟件將圖片 繪制成微銑刀實(shí)體模型，導(dǎo)入ABAQUS中，由于不考慮刀具變形，刀具設(shè)置為離散剛體； 步驟2 :建立三維被加工工件模型，并設(shè)置為柔體部件； 步驟3 :對模型網(wǎng)格劃分，將刀具模型采用三角形、自由網(wǎng)格劃分，將工件模型表層及 中間切削區(qū)域網(wǎng)格加密，其余區(qū)域網(wǎng)格變疏；定義網(wǎng)格類型為8節(jié)點(diǎn)六面體； 步驟4 :工件材料塑性行為采用Johnson-Cook本構(gòu)模型模擬，碎片形成過程采用Johnson-Cook斷裂失效模型模擬，以應(yīng)變臨界值作為最終失效判據(jù)，即材料單元達(dá)到設(shè)定 的應(yīng)力臨界值時，該材料完全破壞，喪失承載能力，刪除單元； 所述的工件材料的本構(gòu)模型為：式中，。為Von-Mises的流動應(yīng)力，A為參考溫度和參考應(yīng)變速率下的屈服強(qiáng)度，B為 應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)，歹p為等效塑性應(yīng)變，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，C為應(yīng)變速率硬化系數(shù)，fp為等效 塑性應(yīng)變率，與為參考應(yīng)變率，m為加熱軟化指數(shù)，f為無量綱的值，與溫度有關(guān)； 使用的失效準(zhǔn)則為Johnson-Cook斷裂失效準(zhǔn)則，其失效模型是基于單元積分點(diǎn)上的 等效塑性應(yīng)變，其失效參數(shù)co定義如下：式中，為等效塑性應(yīng)變增量，可為發(fā)生斷裂時的應(yīng)變值，式中，山~d5為在低于參考溫度下測得的失效常數(shù)，p/q為壓偏應(yīng)力比，p為壓應(yīng)力，q為Von-Mises應(yīng)力，當(dāng)失效參數(shù)《大于1時，單元積分點(diǎn)達(dá)到了失效標(biāo)準(zhǔn)，單元所有應(yīng)力均 被設(shè)置為〇,單元從網(wǎng)格中刪除，也就是工件材料發(fā)生斷裂，開始形成切削肩片； 步驟5 :分別導(dǎo)入工件和刀具模型，進(jìn)行裝配；調(diào)整銑刀與工件的相對位置，確定切削 深度及進(jìn)給距離； 步驟6 :定義分析步和輸出，使用ABAQUS/Explicit進(jìn)行顯式動態(tài)分析，依次插入微銑 削加工分析步、退刀分析步、約束轉(zhuǎn)換分析步，場變量輸出應(yīng)力，以便最終讀取殘余應(yīng)力； 步驟7 :定義表面和接觸性質(zhì)，對工件切削面和刀具表面定義，設(shè)置摩擦系數(shù)為0. 4,僅 在加工分析步中定義此接觸對，然后定義刀具集合和參考點(diǎn)集合，并創(chuàng)建剛體約束； 步驟8:定義邊界條件，首先定義刀具速度變化幅度曲線，然后在參考點(diǎn)集合上設(shè)置刀 具進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，定義工件底面和側(cè)面節(jié)點(diǎn)集合，嚴(yán)格約束工件自由度；定義工件底 面3個節(jié)點(diǎn)集合，在滿足工件自由變形下約束其自由度； 步驟9 :創(chuàng)建任務(wù)并遞交運(yùn)算，分別提交不同切削參數(shù)組合的微銑削鎳基高溫合金的 仿真結(jié)果，從而預(yù)測不同切削參數(shù)組合下表面殘余應(yīng)力分布。
【專利摘要】本發(fā)明微銑削鎳基高溫合金預(yù)測殘余應(yīng)力的仿真方法屬于有限元仿真切削領(lǐng)域，涉及一種難加工材料鎳基高溫合金的切削加工中，殘余應(yīng)力預(yù)測分析的有限元仿真方法。仿真方法運(yùn)用有限元仿真方法，考慮材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，利用Johnson-Cook斷裂失效準(zhǔn)則判斷失效，從而得到不同切削參數(shù)下殘余應(yīng)力預(yù)測值。通過掃描電鏡將實(shí)驗(yàn)用微銑刀拍攝成圖片，使用軟件將圖片繪制成微銑刀實(shí)體模型；建立三維被加工工件模型，對模型網(wǎng)格劃分。該方法不僅可測量表面殘余應(yīng)力，還能測量深度方向殘余應(yīng)力，解決了測量中沿深度方向殘余應(yīng)力測量困難的問題。減少成本，節(jié)省人力。在預(yù)測模型中，切削參數(shù)可變，有效實(shí)現(xiàn)對于難加工材料表面殘余應(yīng)力的預(yù)測。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105117547
【申請?zhí)枴緾N201510524409
【發(fā)明人】盧曉紅, 胡曉晨, 路彥君, 王振宇, 王鑫鑫, 張洪超, 高路絲, 司立坤
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年8月25日