基于有限元仿真的Ti6A14V铣削过程参数建模与优化.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月南京工程学院学报(自然科学版)().:./.投稿网址:/.基于有限元仿真的 铣削过程参数建模与优化顾力溢王保升王志亮(.南京工程学院机械工程学院 江苏 南京.江苏省智能制造装备工程实验室 江苏 南京)摘 要:为优化钛合金 铣削参数、提升铣削性能基于有限元软件建立 的二维铣削仿真试验模型研究控制参数铣削深度、铣削宽度、铣削速度、铣削进给速度对铣削力的影响试验得到各控制参数对铣削力的作用大小以及各控制参数的最佳取值以降低铣削能耗、提升金属表面去除效率为优化目标构建铣削参数多目标优化模型并基于 算法对该优化模型进行求解获得 解下最佳铣削参数取值范围.本研究可为类似加工过程的优化
2、提供借鉴.关键词:铣削参数有限元模拟优化模型遗传算法中图分类号:收稿日期:修回日期:基金项目:江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目()作者简介:顾力溢硕士研究生研究方向为智能制造、数字孪生.:.引文格式:顾力溢王保升王志亮.基于有限元仿真的 铣削过程参数建模与优化.南京工程学院学报(自然科学版)():.南京工程学院学报(自然科学版)年 月 钛合金 是一种低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀的金属材料因其优异的材料性能而在工业上得到广泛应用.钛合金最常用的加工方法为铣削加工因其弹性模量和导热率较低在加工过程中会存在温度过高、能耗高、资源消耗大、成本增加和环境污染等问题.因而选择合理的工艺参数以保
3、证加工效率、减少生产能耗是实施 批量化生产的关键之一.文献为探讨钛合金 的铣削特性和优化加工工艺参数构建正交铣削试验方案得到不同切削参数如背吃刀量、侧吃刀量、主轴转速、进给速度等对铣削力、表面粗糙度和材料去除率等铣削性能的影响规律进而以铣削力、表面粗糙度和物料去除率为研究对象采用遗传算法进行多目标优化确认各项指数均在较优位置文献以铣削加工的节能、降耗为优化目标采用粒子群算法进行多目标优化求解同时借助相关试验对所建立的数学模型进行验证得到全局最优参数文献鉴于目前铣削加工参数优化时未将设计参数的不确定性纳入产品的实际性能采用近似模型构建零件的可靠度优化模型该方法可以有效降低铣削加工的表面粗糙度同时
4、也能确保铣削时的最大铣削力文献将正交试验与多目标遗传算法相结合分析加工过程中铣削速度、进给速度、主轴转速等因素对加工性能的影响并确定了最佳控制参数组合.通过设计物理试验来获得最优参数需要耗费大量的时间和昂贵的设备与材料妨碍了对加工数据的高效获取和使用.有限元仿真本质上是一种参数化的模型分析方法它通过数字化参数来简化成型过程减少试验中的材料消耗便于工艺参数的选取在加工方案获取与验证方面得到了广泛应用.为解决铣削加工有限元仿真中出现的网格变形、网格重构等问题文献以平滑颗粒的流体动力学为基础建立 钛合金的三维铣削模拟模型对某一特定工况下的应力、温度场分布进行分析文献利用有限元方法对多齿刀具进行建模分
5、析不同工艺参数下铜纤维的等效径及表面形态文献采用仿生机构来模拟仿生球头铣刀利用有限元方法对仿生球头铣刀加工过程进行仿真研究各种仿生机构的等效应力状态以及对铣削力的影响文献为探究微铣削工艺温度场与切削参数间的变化关系利用 有限元仿真软件对加工过程进行了模拟仿真分析文献发挥 软件的作用与优势构建了 钢铣削模型仿真验证了模拟效果好坏与切削参数的不同息息相关.有学者使用辅助代理进化算法来求解多目标优化问题并取得了较为显著的成果.文献将高斯过程代理模型与 方法结合起来对高维的决策变量进行了优化.对于加工过程的多目标优化问题传统求解方法的优化目标是最小化加工时间和加工成本为了提升求解效率将智能算法用于优化
6、模型的求解.为使铣削加工过程满足低能耗、高效率、降低数据获取成本的要求本文使用有限元仿真软件对 的铣削过程进行模拟在仿真试验的基础上分析各加工参数对多个优化目标的影响建立多目标优化模型并引入多目标遗传优化算法来实现多目标优化求解.有限元仿真建模与结果分析.建立有限元模型选择 作为工件材料、作为刀具涂层、本构模型作为材料模型设定 摩擦模型得到如图 所示的铣削过程简化模型.材料去除时伴随着主轴的转动刀具顺着工件基面运动材料会变得越来越薄.构建 铣削加工二维模型.的矩形工件长度为 宽度为 高度为 刀具为硬质合金钢刀具直径 为 前角和后角分别为、刀尖圆弧半径 为.模型中网格尺寸最大、最小分别为.、.网
7、格细化处理的部分主要有刀具前刀面、刀具后刀面等.第 卷第 期顾力溢等:基于有限元仿真的 铣削过程参数建模与优化()工作视角()铣削模型图 铣削简化模型 仿真设计时主要参数如表 所示铣削方式为常见的顺铣环境温度控制在 .表 仿真铣削参数铣削深度/铣削宽度/铣削速度/()进给速度/().仿真结果及数据处理图 为仿真铣削力变化过程工件被刀具切入后轴向铣削力、径向铣削力 在短时间内提升随后将渐趋向于平稳在铣削保持平稳的条件之下铣削力会发生明显的变化但都局限于特定的范畴之内最后轴向上的两个力会慢慢地降低在工件被刀具完全切出的状况下铣削力会降为.表 为处理后的铣削力和合力数值.图 仿真时铣削力变化曲线表
8、分析用铣削力数值.正交试验设计选取铣削速度、宽度、深度、进给量作为影响铣削过程的控制因素.为明确各控制变量对铣削过程所产生的不同作用试验选取差异化参数.由于试验耗时较长且有多个全因素试验组合因此选取无需多次试验的正交试验法.从试验中可获取每组 个方向的分力 和 求解铣削合力 表 为正交试验结果.表 正交试验结果试验序号铣削深度/铣削宽度/铣削速度/()进给速度/()铣削合力/.极差分析采用极差分析法计算各因素的铣削力仿真数据极差值计算公式为:()式中:为第 列因素的极差为第 列因素在 的状况下试验取得的平均值其中 为第 列中 出现的频率试验中 为不同因素的 个水平号 为正交表列号 .利用极差分
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