復(fù)雜型線銑刀數(shù)字化設(shè)計(jì)及銑削力預(yù)測研究.pdf

1、汽輪機(jī)葉片及轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行在高溫度、高壓力的環(huán)境下，零件不但承受靜壓力的影響，還承受熱沖擊、機(jī)械沖擊等動(dòng)態(tài)載荷，這一方面要求核心零部件材料有著良好的力學(xué)性能，同時(shí)需要零部件有良好的加工精度、配合精度。因此，整體式復(fù)雜型線刀具已廣泛應(yīng)用于核電機(jī)組核心部件的生產(chǎn)。根據(jù)刀具市場調(diào)查，目前國內(nèi)應(yīng)用在核心加工工藝的復(fù)雜型線刀具，尤其是硬質(zhì)合金精加工刀具，基本依賴進(jìn)口。除此之外以轉(zhuǎn)子輪槽為代表的高溫零部件加工，其復(fù)雜型線刀具的設(shè)計(jì)方法還是傳統(tǒng)的試切法

2、，這種方法存在制造周期長、制造成本高的缺陷，迫切需要借助一些新的數(shù)字化技術(shù)來指導(dǎo)優(yōu)化其設(shè)計(jì)。本文依托國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)“汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片及轉(zhuǎn)子輪槽加工系列化刀具應(yīng)用示范(2013ZX04009-022)”，對整體式復(fù)雜型線銑刀的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　本文分析了傳統(tǒng)復(fù)雜型線銑刀的設(shè)計(jì)思路及其優(yōu)缺點(diǎn)?；趫A錐銑刀實(shí)際應(yīng)用中的失效狀態(tài)，確立了分層-定制式的設(shè)計(jì)理念。在此基礎(chǔ)上，提出微元法為基礎(chǔ)的

3、復(fù)雜型線銑刀數(shù)字化設(shè)計(jì)方法?；谖⒃ǖ膹?fù)雜型線銑刀簡化過程中，在銑削切屑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上定義了最大等切削厚度模型，將三維銑削過程離散為二維正交切削模型。并通過工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化模型，將復(fù)雜型線銑刀的銑削工藝轉(zhuǎn)化為每個(gè)微元段的二維正交切削工藝參數(shù)。在此過程中，本文分析了復(fù)雜型線銑刀的幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基于常螺旋線理論推導(dǎo)建立了適用于復(fù)雜型線銑刀的圓錐螺旋線方程及復(fù)雜型線銑刀徑向角度、法向角度換算模型。
　　通過微元法，將復(fù)雜型線銑

4、刀的刃口設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為簡單二維正交切削刀具刃口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，本文分析了刀具失效形式，確立了刀具刃口幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的最主要參考指標(biāo):刀具抗破損能力。根據(jù)不同加工過程的加工要求，定義粗加工及半精加工銑刀刃口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為最小刀尖應(yīng)力和最低切削溫度;精加工銑刀刃口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為最小切削變形比和最小刀尖應(yīng)力。引入權(quán)重系數(shù)λ將多指標(biāo)約束問題轉(zhuǎn)化為基于響應(yīng)曲面方程的數(shù)學(xué)模型。引入安全系數(shù)K，將刀具材料的抗彎強(qiáng)度衍化為用于評定設(shè)計(jì)參數(shù)合理性的強(qiáng)度臨界

5、值。
　　針對傳統(tǒng)切法設(shè)計(jì)刀具成本高及設(shè)計(jì)周期長的缺陷，本文提出基于有限元仿真建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的方法，以期降低設(shè)計(jì)成本、縮短設(shè)計(jì)周期。其中，在刃口設(shè)計(jì)過程中的響應(yīng)曲面方程充分表達(dá)了數(shù)據(jù)量極大的有限元仿真結(jié)果。為保證有限元仿真對刀具設(shè)計(jì)結(jié)果的不利影響，本文對如何建立精確的有限元仿真模型進(jìn)行了充分詳細(xì)的研究。其中，分析了材料熱物理屬性、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及摩擦模型的精確建模方法，并把正交切削實(shí)驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果的主切削力及吃刀抗力進(jìn)行對比，

6、驗(yàn)證有限元仿真的精度。在精確的有限元仿真模型的基礎(chǔ)上，建立了有限元仿真結(jié)果（如刀尖應(yīng)力S、刀尖溫度T、切削變形比ξ、切削力ForceX和ForceY）關(guān)于參數(shù)變量（如切削速度v、切削深度ap、前角γ、刃口半徑r）的函數(shù)表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有限元仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)庫管理及在刀具設(shè)計(jì)過程中的調(diào)用。
　　為了對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行性能評價(jià)，本文基于復(fù)雜型線銑刀的幾何特征及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，建立了復(fù)雜型線銑刀的切削刃動(dòng)態(tài)接觸模型及整體銑削力預(yù)測模型。在建模過程

7、中，定義了復(fù)雜型線銑刀工作過程中的四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn):τn、τl、τs及τe，用于判定復(fù)雜型線銑刀的切削刃線及微元切削刃的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，建立了復(fù)雜型線銑刀的切削刃動(dòng)態(tài)接觸模型，同時(shí)提出了微元切削刃單位切削力的二步分解轉(zhuǎn)化模型?？紤]螺旋角β及名義型線傾角ω對單位切削力空間分解的影響，建立了微元切削刃單位切削力空間分解轉(zhuǎn)化模型;考慮螺旋線導(dǎo)致的相位角對不同微元切削刃坐標(biāo)系的影響，建立了微元切削刃單位切削力時(shí)間域分解轉(zhuǎn)化模型。通過切削力沿切

8、削刃線在同一方向的可疊加性，建立了整體銑削力集成模型，實(shí)現(xiàn)了工作坐標(biāo)系下的銑削力預(yù)測。最后通過整體銑削實(shí)驗(yàn)，對整體力預(yù)測模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，整體銑削力預(yù)測模型可以精確的預(yù)測銑削力的頻率和幅值，為后續(xù)的刀具性能評價(jià)奠定了基礎(chǔ)。
　　刀具設(shè)計(jì)的最終目的是投入生產(chǎn)并使用，因此需要進(jìn)行刀具可制造性檢驗(yàn)。本文針對刀具的三維建模及刃磨工藝進(jìn)行了刀具可制造性檢驗(yàn)研究。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型線銑刀三維建模，首先基于空間幾何的相關(guān)理論，建立了復(fù)雜型

9、線銑刀刀尖幾何、容屑槽、齒背的徑向截形數(shù)學(xué)模型。并基于Pro/E實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜型線銑刀的精確建模。在此基礎(chǔ)上，利用NUMROTO完成了復(fù)雜型線銑刀的刃磨工藝制定，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜型線銑刀可制造性檢驗(yàn)。
　　為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型線銑刀數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用以及高效快捷的刀具設(shè)計(jì)，本文以上述復(fù)雜型線銑刀數(shù)字化設(shè)計(jì)及性能評價(jià)方法為依據(jù)，基于VisualC＃3.0開發(fā)了復(fù)雜型線銑刀數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺，基于Mysql workbench6.0搭建了復(fù)雜型線銑刀