一种涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108920876A(43)申请公布日2018.11.30(21)申请号201810865300.4(22)申请日2018.08.01(71)申请人中南大学地址湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号(72)发明人唐进元陈雪林丁撼(74)专利代理机构长沙永星专利商标事务所(普通合伙)43001代理人邓淑红(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)B23D43/02(2006.01)权利要求书4页说明书13页附图5页(54)发明名称一种涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法(57)摘要本发明公开了一种涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法，包括以下步骤：步骤一、建立拉刀几何结构的尺寸关联数学模型；步骤二、设定拉刀、机床的约束条件，约束条件包括切削应力约束；步骤三、建立切削应力约束与拉刀几何尺寸之间的关联性；步骤四、建立未安装拉刀机床各部和安装拉刀后机床各部的振动传递模型，并确定相应模态函数；步骤五、由模态函数确定拉刀动态特性参数；步骤六、建立以动态特性参数为自变量，拉刀处响应为因变量的函数，得到动态特性参数与拉刀几何尺寸间的关联性；步骤七、采用变密度法，根据动态特性参数进行结构优化，在此基础上，建立拉刀长度最短、去除率最高的模型，并根据该模型得到优化后的其它拉刀几何结构尺寸。CN108920876ACN108920876A权利要求书1/4页1.一种涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立拉刀几何结构的尺寸关联数学模型；步骤二、设定拉刀、机床的约束条件，约束条件包括切削应力约束；步骤三、建立切削应力约束与拉刀几何尺寸之间的关联性；步骤四、建立未安装拉刀机床各部的振动传递模型，并通过模态试验识别或者有限元建模分析获得振动传递函数，确定未安装拉刀机床的模态函数；建立安装拉刀后机床各部的振动传递模型，并通过模态试验识别或者有限元建模分析获得振动传递函数，确定安装拉刀机床的模态函数；步骤五、由步骤四中模态函数确定拉刀几何结构改变时发生改变的参数，该参数为动态特性参数；步骤六、建立以动态特性参数为自变量，拉刀处响应为因变量的函数，并根据该函数确定动态特性参数的范围，获取动态特性参数与切削应力约束件的关联性，从而得到动态特性参数与拉刀几何尺寸间的关联性；步骤七、采用变密度法，根据动态特性参数进行结构优化，获得拉刀的几何形状，在所获拉刀几何形状的基础上，在约束范围内建立拉刀长度最短、金属去除率最高的数学优化模型，并根据该模型得到优化后的其它拉刀几何结构尺寸。2.根据权利要求1所述的涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法，其特征在于：步骤一中所述数学模型为：5deg≤α≤20deg→3.1×10-4≤0.04×tan2α≤5.3×10-3；1deg≤β≤4deg→2.7×10-5≤0.09×tan2β≤4.4×10-4；fb＝0.3P，hb＝0.4P；B＝P[0.4-0.3×tanβ]-rpt；A＝P(0.5+0.2tanα)；其中α为拉刀中刀齿前角，β为拉刀中刀齿后角，为以容屑半径r1从水平线到刀齿根部与刀齿身部(中间部分)连接处的扫过的角度，即容屑半径r1的容屑角度，P为齿间距，fb为切削刀齿长度，hb为切削刀齿的高度，r1，r2分别为容屑空间的半径，A、B分为刀齿后刀面与半径为r2圆弧交点到半径为r1的圆弧与半径为r2的圆弧交点间的轴向距离、径向距离，rpt为2CN108920876A权利要求书2/4页齿升量，t1为齿间厚度，t2为齿身厚度，t3为齿根厚度。3.根据权利要求2所述的涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法，其特征在于：步骤二中所述约束条件包括刀具长度约束：Ltool≤Lram，容纳切屑体积约束：齿间距约束：机床功率约束：Pc＝Ppd+PfR+PfF≤PMmax，切削应力约束：σ(x)≤σvon-Misesbroachingtool，切削力约束：拉刀的振幅约束为：其中Pc为切削机床的功率，Ppd为用于弹性变形消耗的功率，PfR为刀具与切屑接触消耗的功率，PfF为刀具与工件接触消耗的功率，M，C，K，L，Fc分别为加工系统的总质量，阻尼，刚度，目标自由度矩阵，切削力，Ff为切削力在沿着齿升量方向的分力，Ft为总的切削力，lwp拉刀的长度，ω4为拉刀的固有频率。4.根据权利要求3所述的涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法，其特征在于：所述步骤三中的关联性为：其中ks＝3-4vs，lc为切削过程中刀齿前刀面与切屑的接触长度；vs为刀具材料的泊松比；Feq为切削过程中的等效切削力，FN为刀具前刀面与切屑接触的面的法向力。5.根据权利要求3所述的涡轮盘榫槽拉刀几何结构的优化方法，其特征在于：步骤四中未安装拉刀机床各部，夹具-立柱-床身的振动传递函数