可转位铣刀片温度场、应力场分析及槽型重构研究

摘要

论文主要针对可转位铣刀片的温度场和应力场进行了理论分析和实验研究。在对可转位铣刀片温度场和应力场试验研究的基础上，进行有限元分析及耦合场分析，并针对铣刀片温度场和应力场的非稳态特性，开发了波形刃铣刀片模糊综合评判系统，基于温度场分析和温度场的评价准则进行槽型重构。 本课题来源于国家自然科学基金项目“三维复杂槽型车铣刀片自组织优化设计的研究”。在综述了刀具技术的发展现状和国内外铣刀片的发展概况基础上，对有关铣刀片的铣削机理、刀具开发设计技术和槽型CAD/CAM技术的文献进行了系统全面的综述。 论文首先对可转位铣刀片温度场、应力场进行了试验研究。利用动态数据采集系统对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的铣削温度和铣削力同时进行了测量，得到了铣刀片各个测温点的温度以及前刀面刀-屑接触区的平均温度与时间之间的试验方程式，利用MATLAB软件，对采集到的力进行数据拟合，得到了波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片X、Y、Z三向铣削力与时间之间的试验方程式。从试验角度比较出了两种槽型铣刀铣削温度和铣削力的大小。所得到的温度与力对时间的方程式，为铣刀片受热密度函数、受力密度函数的建立，为温度场和应力场有限元分析打下了基础。 其次对可转位铣刀片温度场、应力场有限元分析及耦合进行了研究。基于传热学理论，利用热源法建立了铣刀片受热密度函数，可以得到任意槽型参数已知的铣刀片受热密度函数的模型和表面受热密度函数。对铣刀片的实体模型进行有限元网格划分，确定温度场分析的边界条件，对温度场进行了有限元分析。对五种不同槽型的铣刀片进行了不同切削参数的试验，建立了平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的表面受力密度函数。给出了波形刃铣刀片波形参数设计思想和受力密度函数的曲线及曲面模拟。选取切削过程中的任意时刻进行了应力场有限元分析，得到了波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片的应力分布规律和受力变形情况，利用有限元分析软件ANSYS的多场耦合的分析功能，把温度场的分析结果作为体载荷，分别对波形刃铣刀片和平前刀 面铣刀片进行了热应力分析，得出了两种铣刀片热应力和位移的分布规律。在热应力计算结果基础上，进一步对热应力与机械应力进行了耦合分析，得出了温度场与应力场耦合后的综合结果。通过对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片热力耦合物理场有限元计算结果与试验结果的对比，从耦合场层面上说明了带有槽型刀具切削性能的优越性。 再次对可转位铣刀片温度场、应力场预测及模糊评判进行了研究。针对铣刀片温度场和应力场的非稳态特性，基于人工神经网络理论，采用BP神经网络Levenberg—Marquardt算法建立了三维复杂槽型铣刀片温度场和应力场预测模型，运用模糊数学理论，根据加工要求和专家分析，在VC++环境下，实现了对波形刃铣刀片模糊综合评判系统的开发。通过该系统可对多因素作用下的铣刀片温度场、应力场和耦合场的优劣进行评判，为铣刀片槽型参数的优化提供了评判依据。 最后完成了可转位铣刀片的槽型重构设计。主要是基于温度场分析和温度场的评价准则进行槽型重构。建立槽型参数多目标优化数学模型，利用遗传算法求解了固定切削参数和给定约束下的优化槽型参数，槽型优化后的铣刀片耦合场明显优于其它槽型参数下的铣刀片耦合场。在Pro/E环境下，创建了波形刃铣刀片模型，利用Pro/TOOLKIT二次开发工具，采用异步模式完成了槽型参数化重构系统的开发，实现了利用友好的图形用户界面输入槽型设计参数来控制铣刀片复杂槽型生成的关键技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1论文的选题目的和意义

1.2刀具技术的发展现状

1.3国内外铣刀片的发展概况

1.3.1铣刀片的发展现状

1.3.2最新的铣刀片简介

1.4铣刀片温度场、应力场及铣削机理的研究现状

1.5铣削刀具开发设计技术发展现状

1.6槽型CAD/CAM的发展状况

1.7本论文的研究内容

第2章可转位铣刀片温度场、应力场试验研究

2.1铣削力铣削温度测量系统

2.1.1系统工作原理

2.1.2试验数据的采集

2.2铣削试验

2.2.1试验条件

2.2.2试验结果

2.3试验结果分析及数据处理

2.3.1铣削温度试验结果及数据处理

2.3.2铣削力试验结果及数据处理

2.4本章小结

第3章可转位铣刀片温度场、应力场有限元分析及耦合

3.1持续运动线热源的温度场

3.1.1热源法

3.1.2瞬时点热源的温度场

3.1.3解瞬时有限长线热源的温度场

3.1.4解运动持续线热源的温度场

3.1.5受热密度函数的建立

3.2铣刀片温度场有限元分析

3.2.1有限元分析模型的建立

3.2.2边界条件的确定

3.2.3温度场的理论分析结果与试验结果的比较

3.3铣刀片受力密度函数研究

3.3.1铣刀片铣削参数计算模型的建立

3.3.2铣刀片受力密度函数的建立

3.3.3波形刃铣刀片波形参数设计思想

3.3.4铣刀片受力密度函数的曲线及曲面模拟

3.4铣刀片应力场有限元分析

3.5铣刀片耦合场的数值分析

3.5.1热应力的计算

3.5.2建立有限元模型

3.5.3边界条件的确定

3.5.4模型解算及处理

3.6热应力及机械应力的耦合

3.7耦合场计算结果

3.8本章小结

第4章 可转位铣刀片温度场、应力场预测及模糊评判

4.1人工神经网络介绍

4.1.1 BP神经网络原理

4.1.2 Levenberg-Marquardt算法

4.2温度场和应力场神经网络模型的建立

4.2.1温度场神经网络模型的建立

4.2.2应力场神经网络模型的建立

4.3模糊综合评判系统的开发

4.3.1铣刀片模糊综合评判模型的建立

4.3.2模糊综合评判系统的构建

4.4耦合场模糊综合评判

4.4.1模糊综合评价的方法与步骤

4.4.2评价指标的处理

4.4.3平刀面铣刀片耦合场的综合评判

4.4.4波形刃铣刀片耦合场的综合评判

4.4.5评判结果分析

4.5本章小结

第5章 可转位铣刀片槽型重构设计

5.1铣刀片槽型参数优化

5.1.1刀片槽型的分类

5.1.2刀片槽型几何形状分解

5.1.3槽型优化特征指标的选择

5.2铣刀片槽型参数优化模型的建立

5.2.1铣刀片槽型参数的确定

5.2.2优化模型的建立

5.3基于遗传算法的槽型优化

5.3.1遗传算法概述

5.3.2槽型优化的实现

5.3.3优化结果验证

5.4铣刀片槽型参数化重构

5.4.1开发工具简介

5.4.2槽型参数化重构系统的开发

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历