[發明專利]硬脆材料薄壁零件切削加工工藝優化方法

有效

• 申請號: 201710449127.5
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107480318B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 董志剛;康仁科;劉志強;周平;朱祥龍;劉書田
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 閻昱辰;李洪福

本發明公開了一種硬脆材料薄壁零件切削加工工藝優化方法，包括如下步驟：針對選定的硬脆材料薄壁零件，建立該零件的參數化薄壁結構模型，為該模型設定有限元網格；為所述的薄壁結構模型加載設定的約束條件；通過算法優化對切削加工過程中的每道工序進行優化，得到所述工序對應的最大應力值；根據所述的最大應力值、材料許用強度值以及安全系數，結合切削力模型，得到當前工序的加工參數。相對與現有技術具備如下優點；在滿足機床加工工況和薄壁零件的幾何參數等條件下，使用算法可以迅速獲得薄壁零件的最大應力；結合最大應力值和切削模型可最大范圍地指定加工參數，提高了加工效率；加工過程中利用了薄壁零件的剩余強度，確保了加工過程的可靠性。

技術領域

本發明涉及一種基于有限元和優化算法的零件加工工藝優化方法，尤其涉及一種硬脆材料薄壁零件加工工藝優化方法。

背景技術

隨著生產與科技的發展，微電子、光電子、傳感器技術和材料技術的日益進步，硬質合金、淬火鋼、光學玻璃、陶瓷、光電晶體以及花崗巖等硬脆材料，因耐磨性強，硬度高等優良性能在工業中的應用漸趨普遍。同時，硬脆材料的薄壁結構因具有重量輕、節約材料、結構緊湊等優點而被廣泛運用在高性能航空航天產品、機電產品中。薄壁零件在因其剛度低，其在制造過程中易發生變形讓刀、斷裂破壞等問題，而硬脆材料薄壁零件的輕量化加工中因材料脆性大，易形成微裂紋擴展導致結構破壞，所以對加工工藝提出了更嚴格的要求。

硬脆材料的低塑性、易脆性破壞、微裂紋和高成本對其加工方法提出了很高的要求。目前，硬脆材料薄壁零件的加工以磨削加工技術為主。一般情況下，硬脆薄壁零件加工時加工系統的切削速度、進給量、切削深度和切削寬度等加工工藝參數的選擇往往工藝人員根據經驗或者手冊進行選擇的。為了安全起見，通常選擇較為保守的切削參數并保持其不變，切削參數的選取往往需要大量的工藝試驗和測試，這就影響了加工效率，尤其對硬脆材料來說，往往還未加工到規定尺寸時，就已經斷裂，嚴重拖長了制造周期。因此加工工藝的優化，直接關系到能夠合理地使用刀具與機床，對提高生產率，降低生產成本有重要的作用。為了解決這一問題，各種加工工藝優化方法相繼提出。傳統的、現有的加工優化方法主要體現在加工方法的選擇和加工參數的具體優化上，其加工參數的選擇未充分利用剩余材料，并且不能建立加工參數與剩余強度和切削力間的關系。因此，其加工參數的選取往往具有盲目性，過小會影響加工效率，過大會有材料斷裂破壞的危險，所達到的效率和精度均不理想。

因此開展上述加工工藝優化的研究，建立加工參數與剩余強度和切削力之間的關系，利用有限元分析，制定出合適的加工工藝，以選擇合適的、較大的加工參數，使每步工序都能充分利用剩余材料，形成承載能力更高的結構，使加工過程中零件的最大應力最小化，進而提高加工效率，并防止薄壁零件發生斷裂破壞。

發明內容

本發明針對以上問題的提出，而研制的一種硬脆材料薄壁零件切削加工工藝優化方法，包括如下步驟：

—針對選定的硬脆材料薄壁零件，建立該零件的參數化薄壁結構模型，為該模型設定有限元網格；

—為所述的薄壁結構模型加載設定的約束條件；通過算法優化對切削加工過程中的每道工序進行優化，得到所述工序對應的最大應力值；

—根據所述的最大應力值、材料許用強度值以及安全系數，結合切削力模型，得到當前工序的加工參數。

作為優選的實施方式，所述的零件形狀通過有限個設計變量D_i，i＝1,2……m表示，組成帶有有限元網格的參數化薄壁結構模型。

作為優選的實施方式，對所述的薄壁結構模型加載過程如下：

—設定系統載荷值為F，使用遺傳算法進行優化；

—計算該步驟的設計變量為加載位置的坐標(x,y)，輸出變量為有限元模型的最大應力σ_max2，σ_max2隨加載位置的坐標(x,y)的變化而變化；