机械加工中有限元技术的计算精度优化研究

杨云辉

(云南开放大学 机电工程学院,云南 昆明 650500)

在现代机械加工领域中,通过引入有限元分析技术使大量核心工件的寿命得到延长。在传统加工过程中,金属工件的工作寿命与工件表面的残余应力之间存在密切的负相关关系,即当工件表面的残余应力降低到较低的程度时,工件的工作寿命就可以获得显著提高。随着数学和信息技术的发展应用,基于数值分析的有限元(Finite Element,FE)模型计算技术,大幅提高工件表面残余应力的预测精确度,这也使得有限元技术在机械加工领域得到广泛的研究应用。不仅解决机械加工领域中的大量理论难题,而且有效提高金属工件的加工精度切削质量,具有较高的理论参考意义工程应用价值。

利用基于数值分析的有限元模型技术,国内外学者曾经得到了较多有价值的研究成果。文献[1]首次引入有限元分析技术对金属工件的切削过程进行精确地模拟分析,实现对加工表面残余应力大小分布的精确计算,为机械加工领域的精确加工技术提供了重要的理论支持。文献[2]采用有限元分析技术,深入分析钢制材料在直角切削过程中的刀具侧面磨损刀屑摩擦对工件表面残余应力的影响,进一步提高机械加工的零件精确度。文献[3]通过利用有限元分析技术,对特殊金属材料的二维切削过程进行模拟仿真,重点强调了切削过程的塑性变形作用,进一步优化金属工件的加工精度,具有一定的原创价值。文献[4]结合有限元分析技术与机械实验法深入分析刀具卸载、冷却过程与残余应力之间的密切关系,同时模拟不同刀具前角下的残余应力分布情况,为机械加工技术的精度优化提供重要的理论依据。通过梳理机械加工领域中有限元分析技术的研究历程,总结分析了当前机械加工的精度优化研究现状,并且探讨了该领域所需解决的核心问题以及未来的发展方向。

1 有限元分析理论

在数学理论的研究中,有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)技术是一种对真实物理世界或系统进行数值模拟的方法,即利用确定性方法分解待求解问题的所有区域,再通过变分方法将误差函数的输出数值降至最低,从而获取对应的稳定解。在非线性复杂规划问题的研究中,与边界元分析技术相比,有限元分析具有更高的计算精确度与计算效率,被广泛应用于机械加工领域。目前,通过对有限元分析技术的深入研究和应用,机械加工过程的摩擦切削等多种操作的精细程度得到较好的优化,显著降低了金属工件表面存在的残余应力,进一步提高了金属工件的实际加工质量与可靠程度,为工业技术的未来发展方向提供了借鉴和参考。

根据研究目的和思路的差异,当前有限元分析技术主要包含以下两个研究方向:

1)通过模拟和分析机械效应热效应对金属工件表面的影响提高有限元分析技术在机械加工过程中的计算精度。例如在机械加工过程中,受车床切削、高温等加工手段的影响,厚度小于0.5 mm的金属工件表面层通常发生牵制、伸张或收缩现象,从而产生一定的残余应力,影响金属工件的工作寿命和加工精度。针对这一情况,通过建立精确的物理模型,利用成熟的有限元分析技术,可以精确地预测评估加工方法产生的残余应力,进而指导机械加工方法的改进与优化。有限元分析是重要的技术手段,机械加工的精确程度主要取决于机械效应与热效应的模拟分析准确程度,具有较强的实用性和较弱的可移植性。

2)利用改进有限元分析技术的计算方法可以高效地提高多种金属工件的加工精度。在机械加工领域的研究中,金属工件表面的残余应力分析是一种常用的研究方法,而有限元分析技术的改进可以实现对金属工件加工精度的优化。受计算资源的限制,传统的有限元分析技术无法进行足够精细的网格划分,从而影响机械加工的计算精度。与残余应力预测方向相比,改进有限元技术方向的研究具有广泛的适用范围,因此该方向的研究逐渐成为了机械加工领域的主流研究方向之一。

2 残余应力分析

通过引入有限元分析技术,机械效应热效应产生残余应力的机制可以得到比较精确的模拟和分析。文献[5]提出一种基于有限元分析的新型分析技术,分析机械加工过程中钻孔法的残余应力大小分布,从而提高机械加工的精确程度。文献[6]利用实验方法测定热处理产生的残余应力和剩余残余应力,在此基础上提出基于有限元模型的预测加工硬化钢表面残余应力的方法。文献[7]深入考虑低碳钢的正交加工过程,提出了一种基于有限元分析技术的加工工件残余应力算法,实现工件加工精度的优化与改进。文献[8]将Al2O3-SiC纳米复合材料的机械加工和退火行为与单相A12O3的机械加工过程进行了比较分析,为后续的有限元分析技术在新型纳米复合材料的残余应力计算方面提供了数据参考。文献[9]采用大变形的有限元分析技术模拟非电解镍磷合金在金刚石刀具不同侧面磨损长度下的特殊超精密正交切削行为,同时发现加工工件表面下的最大温度值随刀具侧面磨损长度的增加而增加。文献[10]在冷弯型钢结构实验的基础上,通过使用有限元分析技术建立冷弯型钢通道截面应力-应变关系、屈服强度变化残余应力的适当分析模型,并与相应的实验结果进行了详细对比,证明了有限元分析技术的预测效率和准确程度。文献[11]使用钻孔应变仪的方法,在塑性四方扁平封装上实现了对残余应力的测量,并与有限元分析结果进行对比分析,同时指出有限元分析技术存在的缺陷。文献[12]引入“广义建模”概念,利用Hankel变换有限元分析技术,导出了由具有中心环热源的无限平板组成的FGP(Finite Geometries and Discrete Mathematics)的解析解,获取了机床结构中传热热变形过程的解析描述,证实了有限元分析技术对于工件加工精度的促进效果。文献[13]通过对比有限元分析技术和具体实验结果,分析机械加工引起的残余应力对零件翘曲的影响程度,从而实现了对金属工件加工精度的优化。文献[14]使用简单的代数计算式对机械加工过程进行有限元分析,并利用等效热载荷实现残余应力的模拟提出了预测炮管内部、外部或组合机加工的分析模型,从而辅助优化机械加工的精度。文献[15]在聚晶立方氮化硼工具的辅助下建立三维热弹塑性有限元模型,实现了对加工工件表面产生的残余应力大小分布的预测。在此基础上通过选择适当的切削深度,最大限度地减少工件表面的高拉伸残余应力。文献[16]利用有限元分析模型模拟分析具有较高强度的铝合金淬火操作,并给出了消除残余应力的加工方法。文献[17]提出一种基于应力的加工摩擦行为多项式模型,能够精确预测金属切削过程中摩擦操作产生的残余应力,同时利用有限元分析技术证明该方法的可行性,大幅提高了机械加工中残余应力的预测质量。文献[18]使用有限元分析技术对金属焊接产生的残余应力进行数值模拟分析,并与实际生活的实验测量结果进行严格的比较和分析,同时实现了对残余应力的预测有限元模型的构建。文献[19]提出模拟连续切屑平面应变正交金属切削过程的有限元方法实现,设计了正交金属切削的实验程序X射线衍射法测量残余应力分布的实现方法。文献[20]在总结残余应力测量方法的基础上,通过探讨有限元分析技术深入研究材料流动应力摩擦参数对残余应力预测结果的影响机制,具有较高的参考意义。文献[21]在航空板材理论模型的基础上,研究材料初始残余应力和加工诱导残余应力对铝合金板变形的影响,同时利用有限元分析技术对残余应力进行了有效的预测与分析,深入研究了金属零件的残余应力产生机制。文献[22]基于有限元分析技术提出具有一定实用价值的残余应力预测模型,深入考虑了金属材料的微观结构属性,从而延长金属产品的耐腐蚀性疲劳寿命,为后续加工工件残余应力分布研究提供了参考。文献[23]将齿轮毛坯的加工信息转化为有限元仿真计算信息,并对分离式直齿锥齿轮进行加工仿真,研究齿轮加工中内应力变化的特点和规律,提出适用于齿轮环境且具有较高实用价值的残余应力预测模型。文献[24]利用有限元分析技术,深入考虑刃口半径切削深度对AISI304金属材料的残余应力分布,同时给出在连续切削过程中降低残余应力的具体操作方法,具有较强的工程价值。上述文献均实现了对不同金属材料的残余应力预测,但随着金属材料工艺技术的不断发展,在各类金属材料的新型加工过程中所产生的残余应力仍然未能得到精确的研究与预测。

3 模拟计算及其优化

随着有限元分析技术的不断细化和拓展,机械加工精度逐渐依赖于有限元分析技术对于实际物理参数加工工艺流程的设置模拟,而不再依赖残余应力的具体实验结果。文献[25]在有限元分析技术的基础上建立适用于钛合金Ti-6Al-4V加工过程的高精度计算模型,实现了在锯齿状切屑加工过程中对平均切削力振动幅度的精准预测。文献[26]基于断裂力学理论有限元分析方法研究陶瓷出口切屑的尺寸与载荷条件和材料固有缺陷的关系,从而计算出了裂纹尖端的应力强度因子,对机械加工工艺具有一定的借鉴价值。文献[27]在有限元分析技术逐渐复杂的背景下,利用迭代收敛法对工件和刀具之间的切屑形成机制进行弹塑性分析,同时得到了机械加工工件精度的决定因素。文献[28]利用有限元分析技术提出了一种电火花加工过程模型,精确地预测加工材料去除之后工件表面的弹坑和残余应力,同时进行了必要的仿真验证。文献[29]在有限元分析技术的基础上对典型薄壁结构在加工过程中的变形进行定量分析和计算,提出一种适用于薄壁结构的高精度有限元计算模型。文献[30]利用有限元分析技术对刀具芯片界面的摩擦过程进行模拟分析,并且建立具有较高准确度和可行性的正交切削过程分析模型。文献[31]基于铣削过程的有限元分析模型深入开展了刀具路径离散化、材料去除、自适应网格生成以及动态网格数据管理等关键问题的仿真,进一步细化机械加工中影响材料变形的多种因素,对后续铣削工艺的有限元仿真技术具有较高的借鉴价值。文献[32]基于有限元分析方法,重点强调非连续增强铝复合材料(DRACs)在不同切削速度和恒定切削深度下的切削应力大小分布,同时指出在机械加工过程中工具-颗粒的相互作用颗粒/基体中的应力分布是颗粒脱键和表面损伤的原因。文献[33]通过引入先进的有限元模拟技术,建立了两个具有任意拉格朗日-欧拉全耦合热应力分析的不同有限元模型。不仅研究了不同拉格朗日-欧拉技术在有限元分析模型中的影响,而且讨论了刀具-切屑接触处的极限剪切应力对摩擦条件的影响。文献[34]使用三维有限元分析模型对铬镍铁合金718材料的加工过程进行了分析比较,并给出有限元分析模型在不同切削速度、温度、应变情况下的计算结果,具有较高的原创意义和参考价值。文献[35]利用有限元分析技术构建了适用于Ti-6Al-4V材料的最小量润滑加工模型,实现正交车削操作中切削力摩擦力的预测分析。文献[36]基于有限元分析方法提出了碳纳米管增强铝基复合材料深冷加工过程的评估模型,并用于研究碳纳米管的重量分数、取向和长度对纳米复合材料制备的影响。文献[37]基于有限元分析的优化设计技术深入分析了影响工件加工精度的多种因素,提出具有重要准确程度的机械加工质量控制系统。文献[38]深入研究了铝合金、钛合金和铬镍铁合金718等航空航天材料在机械效应和热效应等因素下的加工状态,并利用有限元分析技术进行准确地模拟分析,同时提出切实有效的加工方式,有效节省了机械加工工艺的成本。文献[39]在有限元分析技术的基础上,对马氏体AISI 420材料钢进行倾斜切削实验、2D3D FEM模拟,同时分析和对比其模拟结果与具体实验结果,并给出切向力和进给的最大误差,具有较强的实际指导意义。文献[40]利用有限元分析技术提出了一种主轴单元热误差建模及加工精度可靠性分析方法,综合使用免疫算法有限元分析技术构建了包含几何误差和热误差的动态加工精度分析模型,同时实现计算性能加工精度的改进优化。

4 结束语

在物联网和人工智能技术的快速发展背景下,有限元分析技术具有重要的理论研究价值和广泛的应用场景,其研究进展决定着机械加工领域的技术水平工业产值,影响国家的经济利益和科技水平。本文通过梳理残余应力有限元分析方向的研究历史进程,详细分析当前机械加工工艺的研究现状。在一些金属材料加工过程中,残余应力的大小和分布可以得到准确的预测分析。然而,较多合金金属或复杂材料逐渐被应用于新型工业产品的制作过程中,而这些材料在加工过程中的残余应力大小分布,未被有效的模拟和分析,仍依赖于有限元分析技术的普及应用。当前有限元分析技术的理论研究水平与偏微分方程和计算理论等基础计算能力的发展水平息息相关,但该方向欠缺具有较高原创意义的优秀研究成果,即有限元分析技术的改进和优化仍然需要多个学科领域的综合考虑分析。