復雜型線銑刀數(shù)字化設計及銑削力預測研究.pdf

1、汽輪機葉片及轉子高速運行在高溫度、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、機械沖擊等動態(tài)載荷，這一方面要求核心零部件材料有著良好的力學性能，同時需要零部件有良好的加工精度、配合精度。因此，整體式復雜型線刀具已廣泛應用于核電機組核心部件的生產(chǎn)。根據(jù)刀具市場調查，目前國內應用在核心加工工藝的復雜型線刀具，尤其是硬質合金精加工刀具，基本依賴進口。除此之外以轉子輪槽為代表的高溫零部件加工，其復雜型線刀具的設計方法還是傳統(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)字化技術來指導優(yōu)化其設計。本文依托國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項“汽輪機和燃氣輪機葉片及轉子輪槽加工系列化刀具應用示范(2013ZX04009-022)”，對整體式復雜型線銑刀的設計方法進行了系統(tǒng)的研究。
　　本文分析了傳統(tǒng)復雜型線銑刀的設計思路及其優(yōu)缺點?；趫A錐銑刀實際應用中的失效狀態(tài)，確立了分層-定制式的設計理念。在此基礎上，提出微元法為基礎的

3、復雜型線銑刀數(shù)字化設計方法?；谖⒃ǖ膹碗s型線銑刀簡化過程中，在銑削切屑結構計算模型的基礎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)轉化模型，將復雜型線銑刀的銑削工藝轉化為每個微元段的二維正交切削工藝參數(shù)。在此過程中，本文分析了復雜型線銑刀的幾何結構及運動狀態(tài)，基于常螺旋線理論推導建立了適用于復雜型線銑刀的圓錐螺旋線方程及復雜型線銑刀徑向角度、法向角度換算模型。
　　通過微元法，將復雜型線銑

4、刀的刃口設計轉化為簡單二維正交切削刀具刃口結構的設計。在此基礎上，本文分析了刀具失效形式，確立了刀具刃口幾何結構設計過程的最主要參考指標: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計準則為最小刀尖應力和最低切削溫度;精加工銑刀刃口設計準則為最小切削變形比和最小刀尖應力。引入權重系數(shù)λ將多指標約束問題轉化為基于響應曲面方程的數(shù)學模型。引入安全系數(shù)K，將刀具材料的抗彎強度衍化為用于評定設計參數(shù)合理性的強度臨界

5、值。
　　針對傳統(tǒng)切法設計刀具成本高及設計周期長的缺陷，本文提出基于有限元仿真建立基礎數(shù)據(jù)庫的方法，以期降低設計成本、縮短設計周期。其中，在刃口設計過程中的響應曲面方程充分表達了數(shù)據(jù)量極大的有限元仿真結果。為保證有限元仿真對刀具設計結果的不利影響，本文對如何建立精確的有限元仿真模型進行了充分詳細的研究。其中，分析了材料熱物理屬性、動態(tài)力學性能以及摩擦模型的精確建模方法，并把正交切削實驗與有限元仿真結果的主切削力及吃刀抗力進行對比，

6、驗證有限元仿真的精度。在精確的有限元仿真模型的基礎上，建立了有限元仿真結果（如刀尖應力S、刀尖溫度T、切削變形比ξ、切削力ForceX和ForceY）關于參數(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，進而實現(xiàn)有限元仿真結果的數(shù)據(jù)庫管理及在刀具設計過程中的調用。
　　為了對設計結果進行性能評價，本文基于復雜型線銑刀的幾何特征及運動狀態(tài)分析，建立了復雜型線銑刀的切削刃動態(tài)接觸模型及整體銑削力預測模型。在建模過程

7、中，定義了復雜型線銑刀工作過程中的四個時間節(jié)點:τn、τl、τs及τe，用于判定復雜型線銑刀的切削刃線及微元切削刃的工作狀態(tài)，在此基礎上，建立了復雜型線銑刀的切削刃動態(tài)接觸模型，同時提出了微元切削刃單位切削力的二步分解轉化模型?？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化模型;考慮螺旋線導致的相位角對不同微元切削刃坐標系的影響，建立了微元切削刃單位切削力時間域分解轉化模型。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，實現(xiàn)了工作坐標系下的銑削力預測。最后通過整體銑削實驗，對整體力預測模型的精度進行驗證，結果表明，整體銑削力預測模型可以精確的預測銑削力的頻率和幅值，為后續(xù)的刀具性能評價奠定了基礎。
　　刀具設計的最終目的是投入生產(chǎn)并使用，因此需要進行刀具可制造性檢驗。本文針對刀具的三維建模及刃磨工藝進行了刀具可制造性檢驗研究。為實現(xiàn)復雜型線銑刀三維建模，首先基于空間幾何的相關理論，建立了復雜型

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