车削加工仿真中工件受力变形分析及预测

工件
4车 刀
打印机 绘图仪
计算机
测力仪 电荷放大器 A/D
图 2 切削力测量装置简化图
列对比数据可以看出，由切削力计算公式计算所得到的
切削力预测值与实测值基本相符，误差率小于 5%，这表
明建立在实验基础上总结归纳出的切削力计算公式可以
在加工精度预测中应用。
2 工件受切削力作用引起的变形
2.1 工件受力变形估算
（a）ap=0.25mm，v=171m/min
f=0.1mm/r，准100×500mm
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1
0
仿真值 估算值
50 100 150 200
Z/mm
（b）ap=0. 5mm，v=111m/min
f=0.1mm/r，准44×250mm
图 7 工件受力变形对比图
83 机械工程师 2008 年第 12 期
仿真值/μm
0.0454 0.0473 0.0602 0.0769 0.0916 0.0904 0.0858 0.0798 0.0712
估算值/μm
0.0148 0.0467 0.0804 0.105 0.114 0.105 0.0804 0.0467 0.0148
表 4 第 2 组加工条件下工件变形估算值与仿真值对比
轴截面位置尺寸 z/mm
0
50 100 150 200
仿真值/μm
0.171 0.531 1.62 3.86 7.67
估算值/μm
0.0694 0.554 1.87 4.43 8.66
X 方向变形量/μm X 方向变形量/μm
0.12
仿真值 估算值
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0 100 200 300 400 500 Z/mm
（1. Changchun University of Technology, Changchun 130012, China；2.Air Force Aviation University, Changchun 130022, China）
Abstract： In this paper a cutting force forecast model in line with the actual is obtained by comparing the measuring of actual cutting force in Vturn-20 CNC lathe with the calculation of cutting force empirical formula. By using this cutting force forecast result can estimate the workpiece deformation error. Meanwhile this deformation and simulated result by finite element method（FEM） are contrastively analyzed to get the best forecasting value and apply to turning machining simulation. Key words： cutting force; deformation; FEM simulation
（b）
图 3 两端支承的车削加工
式中，E 为与材料有关的弹性模量，I 为惯性距，圆形轴的 惯性距 I＝ πd4 。
64
（a）工件的有限元变形分布图 （b）各个节点的位移分布云图 图 5 工件变形图
工件：准100×500mm；切削用量：ap=0.25mm，v=171m/min，f=0.1mm/r
对于图 4（a）所示用三爪卡盘装夹轴的一端加工短轴
表 3、4 分别列出了上述 2 种不同加工条件 下工件受力变形估算和有限元仿真结果的对比 数据，图 7 所示为两者的对比曲线图。
由工件受力变形估算和有限元仿真结果对 比分析可以看出，估算结果和有限元仿真结果的 变形趋势一致，具体数据有差别，有的差别还较 大。考虑到有限元仿真模型采用的是更接近于工
（a）
有限元仿真结果进行比对，以求得到最佳的结果应用到
车削加工仿真中。
1 切削力的计算及测量
关于切削力的理论计算，国内外学者已做了大量工
作，但由于实际金属切削过程非常复杂，影响因素很多，现
有的一些理论公式都是在假说的基础上得到的，存在较大
缺点，不能与实验结果很好的吻合［1，2］。本文采用切削力的
经验公式计算与实验验证相结合的办法确定切削力。
ap/mm v/m·min-1 f/mm·r-1 （准×L）/mm
装夹方式
1 0.25 171
0.1 100×500 一端卡盘、一端活动顶尖
4 0.5 111
0.1 44×250 只用夹盘
利用有限元软件 ANSYS 对工件进行静力学分析时， 首先用软件构造工件的三维实体模型，工件材料采用 45 钢，其弹性模量 210GPa，泊松比 0.3。针对 准100×500 轴， 对工件卡盘端施加 x、y 和 z 三个方向的约束，在顶尖端施 加 x 和 y 两个方向的约束，并且对工件施加 Fx、Fy、Fz 三个 方向作用力。针对 准44×250 轴，只对工件卡盘端施加 x、y 和 z 三个方向的约束，再对工件施加 Fx、Fy、Fz 三个方向作
合实际的切削力预测模型。依据切削力预测结果估算工件受力变形误差，同时利用有限元法进行仿真计算，对比分析两
者结果，求得最佳的预测值并应用到车削加工仿真中。
关键词：切削力；变形；有限元仿真
中图分类号：TP391
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2008）12－0082－03
Analysis and Forecast of Workpiece Deformation by Cutting Force in Turning Machining Simulation LI Jing1, JIAO Yang2, WANG Zhan-li1
nFz 可在有关切削用量手册中查得，手册中的数据是根据
大量的实验数据通过数据处理得到的。
1.2 切削力的实验测定及验证
实验在全功能 Vturn-20 数控车床上进行，实验系统
如图 1、图 2 所示。
基金项目：吉林省教育厅资助项目（2007 第 110 号）
图 1 切削力测量实验装置图
切削力测定实验的 实验条件与理论计算所 依据的加工条件完全相 同，表 1 列出了切削力 计算预测值与实测值的 对比数据。分析表 1 所
了系统的主程序、实时任务、非实时任务三部分各自的目的与它们之间的联系，给出了数控系统各子模块的方案。
关键词：RTAI；Linux；数控系统；实时
中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2008）12－0084－02
A CNC System Design Based on RTAI GE Da-wei， LIU Qiang， YUAN Song-mei
（School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100083, China）
Abstract： In this paper, the architecture and the principle of RTAI is analyzed. A CNC system based on PC is designed, the flowchart of the CNC system software is analyzed, the aims of the main program, real-time tasks and nonreal-time tasks and the relations among them are studied, and the program of every block of the CNC system is made. Key words： RTAI; Linux; CNC system; real-time
图 3（a）为用三爪卡盘装夹轴的一端，另一端用活动顶
尖支承，是用卧式车床车削轴类工件最常见的一种装夹方
式［4］。三爪卡盘装夹可视为固定端支座，顶尖支承可简化为
可动铰支座，其受力变形工况可简化为图 3（b）所示模型。
在切削力 Fx 作用下工件的变形量可按下式估算
△x工 ＝ Fxz 姨（L2-z2）3 9姨 3 EIL
1.34
12.97
2.85
0.1
2.9
1.31
0.15
0.14
2.99
2.39
1
0.2 5.53
1.48
3.44
2.08
4.10
2.36
0.3 3.71
0.73
9.00
4.27
1.00
0.47
0.1 1.95
1.76
0.51
0.87
1.52
2.47
Leabharlann Baidu0.5
0.2 0.23
0.12
2.66
3.00
5.05
类工件，其受力变形情况可简化为如图 4（b）所示模型。
x
△x
z
z
F
3 L
（a）
（b）
图 4 一端用卡盘装夹的车削加工
在切削力 Fx 作用下工件的变形量可按下式估算
△x工 ＝
FxL3 3EI
（2）
2.2 工件受力变形有限元仿真
本文选取 2 种不同的加工条件对工件的受力变形进
行分析，如表 2 所示。
表 2 2 组不同的加工参数
0.81
0.3 2.14
0.85
2.93
0.59
0.51
0.48
x
FAx
z
Fx
△x
FBx z
3
A
B
L
用力。 图 5 和图 6 分别列出了两种不同工件在不同
加工条件下，切削力作用在距离卡盘 250mm 时工 件的变形分布图和各个节点的位移分布云图。
由图 5、6 知，在一端用卡盘支承另一端用活 动顶尖支承情况下车削工件呈腰鼓形，在只有卡 盘装夹的情况下车削工件呈喇叭形。 2.3 工件受力变形估算值和有限元仿真值的比较
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
基于 RTAI 的数控系统设计
葛大卫， 刘强， 袁松梅 （北京航空航天大学 机械学院，北京 100083）
摘 要：分析了 RTAI 技术的体系结构和基本原理。设计了一个基于 PC 的数控系统，制订了数控系统的软件流程，分析
（1）
82 机械工程师 2008 年第 12 期
制造业信息化
仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION
表 1 切削力预测值与实测值的对比
切削力/N
背吃刀量 ap /mm
进给量 f/mm·r-1
0.1
Fy
Fx
Fz
|F预-F实| |F预-F实|/F预% |F预-F实| |F预-F实|/F预% |F预-F实| |F预-F实|/F预%
（a）工件的有限元变形分布图 （b）各个节点的位移分布云图 图 6 工件变形图
工件：准44×250mm；切削用量：ap=0.5mm，v=111m/min，f=0.1mm/r
表 3 第 1 组加工条件下工件变形估算值与仿真值对比
轴截面位置尺寸 z/mm 50 100 150 200 250 300 350 400 450
4.31
0.65
5.36
1.83
1.40
0.41
3
0.2
2.4
0.21
8.33
0.87
2.30
0.44
0.3 13.86
0.91
2.85
0.50
8.95
1.40
0.1 1.79
0.40
3.32
1.63
3.93
1.60
2
0.2 3.94
0.53
0.28
0.09
3.80
1.09
0.3
6.5
0.64
5.269
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
车削加工仿真中工件受力变形分析及预测
李静 1， 焦阳 2， 王占礼 1 （1.长春工业大学，长春 130012；2.空军航空大学，长春 130022）
摘 要：通过在 Vturn- 20 数控车床上实际测量切削力并与切削力经验公式计算所得结果进行比较的方法，得出最符
1.1 切削力的经验预测模型
根据大量实验数据总结归纳出下列在金属切削中广
泛应用的切削力计算公式［3］：
F =C a f v k ；F =C a f v k ；F =C a f v k xFy yFy nFy
xFx yFx nFx
xFz yFz nFz
y Fy p
Fy
x
Fx p
Fx
z
Fz p
Fz
系数 CFy 、CFx 、CFz 和指数 xFy 、yFy 、nFy 、xFy 、yFy 、nFx 、xFz 、yFz 、
加工质量预测是数控加工物理仿真的重要研究内
容。工件的加工质量包括加工精度、表面波纹度和表面粗
糙度等几何要素以及工件表层组织状态等物理因素，涉
及因素种类繁多，形成机理复杂。本文对加工精度预测模
型中切削力对加工精度的影响进行分析，通过切削力的
理论计算和实验验证的方式获得切削力的预测模型；利
用切削力模型计算出工件在切削力作用下的变形，并与