機械加工中有限元技術的計算精度優(yōu)化研究

楊云輝

(云南開放大學 機電工程學院,云南 昆明 650500)

在現(xiàn)代機械加工領域中,通過引入有限元分析技術使大量核心工件的壽命得到延長。在傳統(tǒng)加工過程中,金屬工件的工作壽命與工件表面的殘余應力之間存在密切的負相關關系,即當工件表面的殘余應力降低到較低的程度時,工件的工作壽命就可以獲得顯著提高。隨著數(shù)學和信息技術的發(fā)展應用,基于數(shù)值分析的有限元(Finite Element,FE)模型計算技術,大幅提高工件表面殘余應力的預測精確度,這也使得有限元技術在機械加工領域得到廣泛的研究應用。不僅解決機械加工領域中的大量理論難題,而且有效提高金屬工件的加工精度切削質量,具有較高的理論參考意義工程應用價值。

利用基于數(shù)值分析的有限元模型技術,國內外學者曾經(jīng)得到了較多有價值的研究成果。文獻[1]首次引入有限元分析技術對金屬工件的切削過程進行精確地模擬分析,實現(xiàn)對加工表面殘余應力大小分布的精確計算,為機械加工領域的精確加工技術提供了重要的理論支持。文獻[2]采用有限元分析技術,深入分析鋼制材料在直角切削過程中的刀具側面磨損刀屑摩擦對工件表面殘余應力的影響,進一步提高機械加工的零件精確度。文獻[3]通過利用有限元分析技術,對特殊金屬材料的二維切削過程進行模擬仿真,重點強調了切削過程的塑性變形作用,進一步優(yōu)化金屬工件的加工精度,具有一定的原創(chuàng)價值。文獻[4]結合有限元分析技術與機械實驗法深入分析刀具卸載、冷卻過程與殘余應力之間的密切關系,同時模擬不同刀具前角下的殘余應力分布情況,為機械加工技術的精度優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。通過梳理機械加工領域中有限元分析技術的研究歷程,總結分析了當前機械加工的精度優(yōu)化研究現(xiàn)狀,并且探討了該領域所需解決的核心問題以及未來的發(fā)展方向。

1 有限元分析理論

在數(shù)學理論的研究中,有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)技術是一種對真實物理世界或系統(tǒng)進行數(shù)值模擬的方法,即利用確定性方法分解待求解問題的所有區(qū)域,再通過變分方法將誤差函數(shù)的輸出數(shù)值降至最低,從而獲取對應的穩(wěn)定解。在非線性復雜規(guī)劃問題的研究中,與邊界元分析技術相比,有限元分析具有更高的計算精確度與計算效率,被廣泛應用于機械加工領域。目前,通過對有限元分析技術的深入研究和應用,機械加工過程的摩擦切削等多種操作的精細程度得到較好的優(yōu)化,顯著降低了金屬工件表面存在的殘余應力,進一步提高了金屬工件的實際加工質量與可靠程度,為工業(yè)技術的未來發(fā)展方向提供了借鑒和參考。

根據(jù)研究目的和思路的差異,當前有限元分析技術主要包含以下兩個研究方向:

1)通過模擬和分析機械效應熱效應對金屬工件表面的影響提高有限元分析技術在機械加工過程中的計算精度。例如在機械加工過程中,受車床切削、高溫等加工手段的影響,厚度小于0.5 mm的金屬工件表面層通常發(fā)生牽制、伸張或收縮現(xiàn)象,從而產(chǎn)生一定的殘余應力,影響金屬工件的工作壽命和加工精度。針對這一情況,通過建立精確的物理模型,利用成熟的有限元分析技術,可以精確地預測評估加工方法產(chǎn)生的殘余應力,進而指導機械加工方法的改進與優(yōu)化。有限元分析是重要的技術手段,機械加工的精確程度主要取決于機械效應與熱效應的模擬分析準確程度,具有較強的實用性和較弱的可移植性。

2)利用改進有限元分析技術的計算方法可以高效地提高多種金屬工件的加工精度。在機械加工領域的研究中,金屬工件表面的殘余應力分析是一種常用的研究方法,而有限元分析技術的改進可以實現(xiàn)對金屬工件加工精度的優(yōu)化。受計算資源的限制,傳統(tǒng)的有限元分析技術無法進行足夠精細的網(wǎng)格劃分,從而影響機械加工的計算精度。與殘余應力預測方向相比,改進有限元技術方向的研究具有廣泛的適用范圍,因此該方向的研究逐漸成為了機械加工領域的主流研究方向之一。

2 殘余應力分析

通過引入有限元分析技術,機械效應熱效應產(chǎn)生殘余應力的機制可以得到比較精確的模擬和分析。文獻[5]提出一種基于有限元分析的新型分析技術,分析機械加工過程中鉆孔法的殘余應力大小分布,從而提高機械加工的精確程度。文獻[6]利用實驗方法測定熱處理產(chǎn)生的殘余應力和剩余殘余應力,在此基礎上提出基于有限元模型的預測加工硬化鋼表面殘余應力的方法。文獻[7]深入考慮低碳鋼的正交加工過程,提出了一種基于有限元分析技術的加工工件殘余應力算法,實現(xiàn)工件加工精度的優(yōu)化與改進。文獻[8]將Al2O3-SiC納米復合材料的機械加工和退火行為與單相A12O3的機械加工過程進行了比較分析,為后續(xù)的有限元分析技術在新型納米復合材料的殘余應力計算方面提供了數(shù)據(jù)參考。文獻[9]采用大變形的有限元分析技術模擬非電解鎳磷合金在金剛石刀具不同側面磨損長度下的特殊超精密正交切削行為,同時發(fā)現(xiàn)加工工件表面下的最大溫度值隨刀具側面磨損長度的增加而增加。文獻[10]在冷彎型鋼結構實驗的基礎上,通過使用有限元分析技術建立冷彎型鋼通道截面應力-應變關系、屈服強度變化殘余應力的適當分析模型,并與相應的實驗結果進行了詳細對比,證明了有限元分析技術的預測效率和準確程度。文獻[11]使用鉆孔應變儀的方法,在塑性四方扁平封裝上實現(xiàn)了對殘余應力的測量,并與有限元分析結果進行對比分析,同時指出有限元分析技術存在的缺陷。文獻[12]引入“廣義建?！备拍?利用Hankel變換有限元分析技術,導出了由具有中心環(huán)熱源的無限平板組成的FGP(Finite Geometries and Discrete Mathematics)的解析解,獲取了機床結構中傳熱熱變形過程的解析描述,證實了有限元分析技術對于工件加工精度的促進效果。文獻[13]通過對比有限元分析技術和具體實驗結果,分析機械加工引起的殘余應力對零件翹曲的影響程度,從而實現(xiàn)了對金屬工件加工精度的優(yōu)化。文獻[14]使用簡單的代數(shù)計算式對機械加工過程進行有限元分析,并利用等效熱載荷實現(xiàn)殘余應力的模擬提出了預測炮管內部、外部或組合機加工的分析模型,從而輔助優(yōu)化機械加工的精度。文獻[15]在聚晶立方氮化硼工具的輔助下建立三維熱彈塑性有限元模型,實現(xiàn)了對加工工件表面產(chǎn)生的殘余應力大小分布的預測。在此基礎上通過選擇適當?shù)那邢魃疃?最大限度地減少工件表面的高拉伸殘余應力。文獻[16]利用有限元分析模型模擬分析具有較高強度的鋁合金淬火操作,并給出了消除殘余應力的加工方法。文獻[17]提出一種基于應力的加工摩擦行為多項式模型,能夠精確預測金屬切削過程中摩擦操作產(chǎn)生的殘余應力,同時利用有限元分析技術證明該方法的可行性,大幅提高了機械加工中殘余應力的預測質量。文獻[18]使用有限元分析技術對金屬焊接產(chǎn)生的殘余應力進行數(shù)值模擬分析,并與實際生活的實驗測量結果進行嚴格的比較和分析,同時實現(xiàn)了對殘余應力的預測有限元模型的構建。文獻[19]提出模擬連續(xù)切屑平面應變正交金屬切削過程的有限元方法實現(xiàn),設計了正交金屬切削的實驗程序X射線衍射法測量殘余應力分布的實現(xiàn)方法。文獻[20]在總結殘余應力測量方法的基礎上,通過探討有限元分析技術深入研究材料流動應力摩擦參數(shù)對殘余應力預測結果的影響機制,具有較高的參考意義。文獻[21]在航空板材理論模型的基礎上,研究材料初始殘余應力和加工誘導殘余應力對鋁合金板變形的影響,同時利用有限元分析技術對殘余應力進行了有效的預測與分析,深入研究了金屬零件的殘余應力產(chǎn)生機制。文獻[22]基于有限元分析技術提出具有一定實用價值的殘余應力預測模型,深入考慮了金屬材料的微觀結構屬性,從而延長金屬產(chǎn)品的耐腐蝕性疲勞壽命,為后續(xù)加工工件殘余應力分布研究提供了參考。文獻[23]將齒輪毛坯的加工信息轉化為有限元仿真計算信息,并對分離式直齒錐齒輪進行加工仿真,研究齒輪加工中內應力變化的特點和規(guī)律,提出適用于齒輪環(huán)境且具有較高實用價值的殘余應力預測模型。文獻[24]利用有限元分析技術,深入考慮刃口半徑切削深度對AISI304金屬材料的殘余應力分布,同時給出在連續(xù)切削過程中降低殘余應力的具體操作方法,具有較強的工程價值。上述文獻均實現(xiàn)了對不同金屬材料的殘余應力預測,但隨著金屬材料工藝技術的不斷發(fā)展,在各類金屬材料的新型加工過程中所產(chǎn)生的殘余應力仍然未能得到精確的研究與預測。

3 模擬計算及其優(yōu)化

隨著有限元分析技術的不斷細化和拓展,機械加工精度逐漸依賴于有限元分析技術對于實際物理參數(shù)加工工藝流程的設置模擬,而不再依賴殘余應力的具體實驗結果。文獻[25]在有限元分析技術的基礎上建立適用于鈦合金Ti-6Al-4V加工過程的高精度計算模型,實現(xiàn)了在鋸齒狀切屑加工過程中對平均切削力振動幅度的精準預測。文獻[26]基于斷裂力學理論有限元分析方法研究陶瓷出口切屑的尺寸與載荷條件和材料固有缺陷的關系,從而計算出了裂紋尖端的應力強度因子,對機械加工工藝具有一定的借鑒價值。文獻[27]在有限元分析技術逐漸復雜的背景下,利用迭代收斂法對工件和刀具之間的切屑形成機制進行彈塑性分析,同時得到了機械加工工件精度的決定因素。文獻[28]利用有限元分析技術提出了一種電火花加工過程模型,精確地預測加工材料去除之后工件表面的彈坑和殘余應力,同時進行了必要的仿真驗證。文獻[29]在有限元分析技術的基礎上對典型薄壁結構在加工過程中的變形進行定量分析和計算,提出一種適用于薄壁結構的高精度有限元計算模型。文獻[30]利用有限元分析技術對刀具芯片界面的摩擦過程進行模擬分析,并且建立具有較高準確度和可行性的正交切削過程分析模型。文獻[31]基于銑削過程的有限元分析模型深入開展了刀具路徑離散化、材料去除、自適應網(wǎng)格生成以及動態(tài)網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理等關鍵問題的仿真,進一步細化機械加工中影響材料變形的多種因素,對后續(xù)銑削工藝的有限元仿真技術具有較高的借鑒價值。文獻[32]基于有限元分析方法,重點強調非連續(xù)增強鋁復合材料(DRACs)在不同切削速度和恒定切削深度下的切削應力大小分布,同時指出在機械加工過程中工具-顆粒的相互作用顆粒/基體中的應力分布是顆粒脫鍵和表面損傷的原因。文獻[33]通過引入先進的有限元模擬技術,建立了兩個具有任意拉格朗日-歐拉全耦合熱應力分析的不同有限元模型。不僅研究了不同拉格朗日-歐拉技術在有限元分析模型中的影響,而且討論了刀具-切屑接觸處的極限剪切應力對摩擦條件的影響。文獻[34]使用三維有限元分析模型對鉻鎳鐵合金718材料的加工過程進行了分析比較,并給出有限元分析模型在不同切削速度、溫度、應變情況下的計算結果,具有較高的原創(chuàng)意義和參考價值。文獻[35]利用有限元分析技術構建了適用于Ti-6Al-4V材料的最小量潤滑加工模型,實現(xiàn)正交車削操作中切削力摩擦力的預測分析。文獻[36]基于有限元分析方法提出了碳納米管增強鋁基復合材料深冷加工過程的評估模型,并用于研究碳納米管的重量分數(shù)、取向和長度對納米復合材料制備的影響。文獻[37]基于有限元分析的優(yōu)化設計技術深入分析了影響工件加工精度的多種因素,提出具有重要準確程度的機械加工質量控制系統(tǒng)。文獻[38]深入研究了鋁合金、鈦合金和鉻鎳鐵合金718等航空航天材料在機械效應和熱效應等因素下的加工狀態(tài),并利用有限元分析技術進行準確地模擬分析,同時提出切實有效的加工方式,有效節(jié)省了機械加工工藝的成本。文獻[39]在有限元分析技術的基礎上,對馬氏體AISI 420材料鋼進行傾斜切削實驗、2D3D FEM模擬,同時分析和對比其模擬結果與具體實驗結果,并給出切向力和進給的最大誤差,具有較強的實際指導意義。文獻[40]利用有限元分析技術提出了一種主軸單元熱誤差建模及加工精度可靠性分析方法,綜合使用免疫算法有限元分析技術構建了包含幾何誤差和熱誤差的動態(tài)加工精度分析模型,同時實現(xiàn)計算性能加工精度的改進優(yōu)化。

4 結束語

在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術的快速發(fā)展背景下,有限元分析技術具有重要的理論研究價值和廣泛的應用場景,其研究進展決定著機械加工領域的技術水平工業(yè)產(chǎn)值,影響國家的經(jīng)濟利益和科技水平。本文通過梳理殘余應力有限元分析方向的研究歷史進程,詳細分析當前機械加工工藝的研究現(xiàn)狀。在一些金屬材料加工過程中,殘余應力的大小和分布可以得到準確的預測分析。然而,較多合金金屬或復雜材料逐漸被應用于新型工業(yè)產(chǎn)品的制作過程中,而這些材料在加工過程中的殘余應力大小分布,未被有效的模擬和分析,仍依賴于有限元分析技術的普及應用。當前有限元分析技術的理論研究水平與偏微分方程和計算理論等基礎計算能力的發(fā)展水平息息相關,但該方向欠缺具有較高原創(chuàng)意義的優(yōu)秀研究成果,即有限元分析技術的改進和優(yōu)化仍然需要多個學科領域的綜合考慮分析。