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基于物理仿真分析技术的车加工解决方案

时间:2011-10-22作者:来源:中国论文库
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  近几年高性能航空发动机上关键零部件结构要求越来越复杂,新材料、新结构、新工艺越来越多,对零件制造提出了较高的要求。随着虚拟制造技术的不断发展,仿真分析技术在

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  近几年高性能航空发动机上关键零部件结构要求越来越复杂,新材料、新结构、新工艺越来越多,对零件制造提出了较高的要求。随着虚拟制造技术的不断发展,仿真分析技术在航空制造业的应用也越来越广泛深入。仿真分析技术可以分为两大类型:几何仿真和物理仿真。

  人们熟知的“加工碰撞干涉检查”属于几何仿真的范畴,其主要是利用VERICUT等仿真加工产品,通过虚拟现实的方式构建数控机床、刀具、夹具和毛坯模型,在刀位数据或NC代码的驱动下,模拟金属切削加工中走刀轨迹和材料被切除的过程,使用户以直观的方式对工艺规划的合理性进行评估,对数控加工程序是否存在干涉进行校验。几何仿真的主要优点是通过验证加工程序的正确性,进行干涉检查,避免机床部件与夹具和零件的碰撞,减少在零件上试切的时间。

  但是,在加工中仍然有很多问题是几何仿真无法解决的。例如,很多难加工材料在加工后容易出现变形、应力集中、表面有震纹等质量问题,但是由于几何仿真假定被加工零件是刚性的,不考虑零件加工过程中诸如温度、材料或者刀具磨损等物理属性,因此解决不了上述问题。要解决这类问题,还需要开展物理仿真分析技术研究,通过对工件、刀具、材料属性和加工环境等进行的综合分析,得到加工过程中的切削力和温度等数据。

  本文所研究的物理仿真分析,能够帮助用户合理地匹配加工参数和刀具,对数控加工的程序进行优化或提供解决方案,从而减小切削力和零件变形等。所有这些都大大减少了昂贵的切削试验,降低了加工成本,提高了加工效率和机床利用率。

  事实上,目前营销论文" target="_blank">市场上的物理仿真软件很多,如ANSYS或DEFORM等,这些系统的主要工作对象是高等院校或专业研究机构,他们通过应用这些物理仿真软件进行理论研究,而真正在制造企业进行应用研究并取得成效的,还不多见。本文是以TWS(Third Wave Systems)公司的AdvantEdge软件为工具,应用FEM和PM两大模块开展综合的研究和分析工作。其中,AdvantEdge FEM主要用于优化金属切削工艺。在加工过程中,可以有效地提高零件质量,增加材料去除率,延长刀具寿命。利用AdvantEdge FEM可以减少试切次数和成本,快速得到最佳的加工参数,使产品快速市场化。AdvantEdge PM主要用于工艺分析,尤其适合于难加工材料、贵重的加工材料或无法做试切的情况下,对数控加工方案或NC程序进行优化,可以提供给客户一个趋势性结果,帮助客户做出加工决策。

  一、主要技术路线

  由于物理仿真分析在同行业中几乎没有成功的经验可以借鉴,因此笔者所在单位的技术人员通过一段时间的摸索,才确定了一套适合本企业的技术路线。针对航空产品来讲,首要需要解决的问题是加工参数的选择和加工质量的提高。

  根据这两个技术难点可以制定以下方案。

  (1)分析零件加工工艺,收集零件关键位置的加工参数及工况信息。

  (2)在物理仿真环境下构建零件的微观切削模型,并输入材料性能和加工参数等信息,进行分析计算,得到零件加工过程中的切削力、温度、应力分布和切削状态等参数,并据此结论得到一组优选的切削参数,合理选择刀具。本过程主要使用FEM进行分析,分析流程如图1所示。

  图1 FEM分析流程

  (3)根据选择的加工参数和刀具等编制数控加工程序。

  (4)对数控加工程序进行物理仿真分析。通过输入机床关键参数、零件模型、NC代码和加工环境等参数,优化数控加工程序,得到零件加工过程中的宏观受力。根据分析结果,在使零件负载均衡的前提下,不仅可以对加工方案进行调整,而且可以在物理仿真环境下,对数控加工程序进行优化处理。本过程主要使用PM进行分析和优化,分析流程如图2所示。

  图2 PM工作流程

  其中第(2)步和第(4)步是物理仿真分析工作的重点。在应用过程中,要结合零件的特点灵活运用,按加工需求,有重点、有针对性地进行分析,并非一定要完全按上述步骤操作。

  FEM需要的信息相对比较精确,而且输入的参数越完整,分析的结论越接近实际效果。PM输出的结果可以是一个大致趋势即可,但是对NC程序的代码和格式要求较严格。

  二、仿真分析实例

  笔者下面以某涡轮盘车加工为例进行分析(图3),该零件材料为高温合金,加工后零件极易变形,属于典型的难加工材料。由于实际加工中每个位置的加工余量和走刀方式等都不一样,加工参数也不一样,因此需要分别进行分析。

  图3零件结构简图

  1.应用FEM优选加工参数此处仅以该零件加工的参数分析举例说明。FEM是通过构建零件的微观模型及有限元分析模型来进行分析,因此分析时需要将模型进行微观简化。图4为加工参数示意图。表1为准备的三组加工参数。

  如图5所示,每张图上面的色带表示加工时的温度状态,下面的曲线中,X方向(红色曲线)为零件所受的切向力,Y方向(绿色曲线)为零件所受的轴向力,从三组参数分析可以看出,影响零件表面温度和组织状态的主要是进给速度,进给速度越快,刀具和零件被加工表面的温度越高。而影响零件变形的轴向受力是切深,当切深由0.5mm减小至0.25mm时,轴向切削力由900N减小至400N左右。零件所受的切向力变化不明显,量值比轴向力小很多。转贴于中国论文库 http://www.lwkoo.com

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