基于参数优化的枞树型轮槽精铣刀后刀面几何重构的研究

摘要

枞树型轮槽精铣刀作为加工汽轮机转子轮槽的最终刀具，其精度直接影响着轮槽表面轮廓的加工质量。由于切削时刀具轮廓形线不同部位受到刀体结构的影响，工艺参数各不相同，导致不同部位切削刃受力、受热以及磨损的不均匀，从而引起轮槽精铣刀廓形精度下降，造成刀具的早期失效。考虑制造工艺因素，轮槽刀具前角一般取为零度。在刀具钝圆半径一致的情况下，刀刃的强度主要取决于刀具的后角。轮槽加工中，不同部位的刀刃，由于切削条件的要求，强度设计应不同。现有轮槽刀具，刃形不同位置后角的变化并不是为了适应刃形强度而变化的。后刀面的设计，不能满足成形切削刀具等强度的要求。几何建模与参数优化的研究，是复杂成形刀具设计的重要课题。
　　本文拟从轮槽铣削过程中的切削力出发，探索满足轮槽铣刀刃形线等强度要求的后角分布规律;建立优化的后角分布数学模型，并根据该数学模型利用CAD软件完成后刀面几何模型的重构。主要内容如下:
　　基于金属切削基本原理，探讨了铣削加工过程中切削力、切削热以及刀具磨损和寿命与刀具几何参数之间的关系;对轮槽加工工艺做了简要的梳理，给出了轮槽精铣刀的设计要求;
　　基于轮槽铣削工艺，建立轮槽铣削的有限元分析模型;利用DEFORM对轮槽铣削过程进行了物理仿真，得出了切削力、切削热在刀刃上的分布状况;
　　建立通用轮槽精铣刀的三维实体模型，找出其后角的变化规律;然后以切削力的均匀分布为优化目标，对轮槽精铣刀的后角分布进行优化设计;建立了轮槽精铣刀后角分布优化数学模型，并求出了关键模型系数;
　　基于刀具造型理论，利用SolidWorks完成了轮槽精铣刀后面的重构，应用仿真分析的方法对重构结果进行了验证。应用ANSYS对重构后的轮槽精铣刀做了静力学分析，为刀具整体结构的进一步优化奠定了基础。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 复杂形状刀具设计的国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 枞树型轮槽简介

1．2．2 复杂形状刀具设计国内外研究现状

1．3 研究目的及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 研究方法和技术路线

1．5 论文章节安排

1．6 本章小结

第2章 铣削加工机理及轮槽铣削工艺分析

2．1 铣削加工机理

2．1．1 铣削基本概念及工艺范围

2．1．2 圆柱铣刀的几何角度

2．1．3 铣削力

2．1．4 切削热与切削温度

2．1．5 铣刀磨损与寿命

2．2 轮槽铣削工艺分析

2．2．1 轮槽加工技术要求

2．2．2 轮槽加工方案分析

2．2．3 轮槽铣削工艺

2．3 轮槽精铣刀设计要求

2．4 相关设计软件简介

2．4．1 SolidWorks简介

2．4．2 DEFORM简介

2．5 本章小结

第3章 轮槽铣刀铣削过程力热分析

3．1 轮槽铣削过程的有限元建模

3．1．1 模型假设

3．1．2 几何模型

3．1．3 材料的本构模型

3．1．4 摩擦模型

3．1．5 热传导模型

3．1．6 网格划分

3．2 轮槽铣削过程力热仿真预测

3．2．1 刀具切削力仿真预测

3．2．2 刀具切削温度仿真预测

3．3 轮槽铣削力热仿真预测结果分析

3．4 本章小结

第4章 轮槽铣刀后角分布优化模型

4．1 现有轮槽铣刀后角分布规律

4．2 后角分布优化数学模型

4．3 切削力模型系数求解

4．3．1 铣削力模型

4．3．2 切削力系数的求解

4．4 本章小结

第5章 轮槽精铣刀后刀面几何模型重构及验证

5．1 轮槽精铣刀的造型原理

5．2 轮槽精铣刀后刀面几何模型重建

5．2．1 后刀面几何模型重构前置处理

5．2．2 后刀面几何模型重构

5．3 切削力验证

5．3．1 切削力仿真验证

5．3．2 切削力的实验验证

5．4 新轮槽精铣刀强度分析

5．4．1 边界条件

5．4．2 网络划分与加载求解

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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