数控滚齿加工切削力及能耗建模研究

摘要

以数控滚齿机床为典型代表的数控机床是工业制造领域的主力，在制造业中发挥着重要作用。我国数控机床数量众多，分布面广，耗能巨大且能量利用率较低。对数控加工机床的能耗特性进行研究，降低机械加工过程中的能量消耗，提高其能量效率，对实现绿色制造战略目标具有重要意义。然而，目前现有的机床能耗模型大多是针对铣削、车削以及磨削等加工方式，缺少关于滚齿机床能耗模型的研究。对基于能耗模型的滚齿加工参数优化、刀具磨损与精度监控等研究缺乏理论依据。因此，本文针对数控滚齿机床切削力及能耗建模问题，开展了如下研究：　　①建立滚齿加工切削力的数学计算模型。本文首先根据滚刀切削刃的轴向几何廓形进行滚刀参数化建模；然后，基于多体系统运动学理论与齐次坐标变换原理，通过对滚齿机床空间结构以及加工过程中滚刀与齿轮工件的相对运动进行分析，推导滚刀切削刃运动轨迹曲面的参数方程，并根据数值计算方法提取未变形切屑的三维几何参数；最后，基于切屑几何与Kienzle-Victor力学模型计算出滚齿加工中的微元切削力，通过将其在切削刃以及时域上进行叠加得到整个滚刀的切削力，建立滚齿加工切削力的计算模型。　　②建立基于滚削力仿真的滚齿机床能耗模型。将整机功率分为待机功率、辅助功率、空载功率与切削功率，其中待机与辅助功率视为固定值，空载功率视为滚刀转速与进给速度的二次函数，基于前述的滚削力数值计算理论，建立滚齿切削功率模型。为了验证所提出模型的准确性，进行了多组粗滚与精滚加工实验，并将所提出的切削功率模型与现有的MRR经验模型进行对比，结果表明，所提出的模型考虑了滚刀与工件的几何参数以及各项加工参数，能精确地反映粗滚与精滚阶段不同加工参数对于机床切削功率的影响；与此同时，分析滚刀转速、进给速度以及切削深度对于机床整机功率的影响，为滚齿加工参数优化提供准确的能耗模型。　　③提出滚齿加工参数优化方法。结合实际滚齿生产中的主要评价指标，分别建立滚齿加工效率函数、能耗函数、成本函数以及齿轮表面粗糙度函数；根据加工阶段的不同设定优化目标，在粗滚阶段以降低机床能耗、控制加工成本为目标；在精滚阶段以保证齿轮表面质量为目标，分别对滚刀转速与进给速度等参数进行优化。通过分析参数优化曲面，得到相应阶段的最优加工参数，为实际滚齿生产中加工参数的选择提供了有益参考。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1滚齿加工切削力的研究现状

1.2.2数控加工机床能耗建模的研究现状

1.2.3滚齿加工参数优化的研究现状

1.3 课题来源

1.4 本文的主要研究内容

2 滚齿加工切削力建模

2.1 引言

2.2 多体系统运动学理论

2.3 滚刀参数化建模

2.3.2滚刀螺旋线建模

2.4 滚齿加工运动建模

2.4.2滚齿机床空间结构

2.4.3滚切加工运动建模

2.5 滚切过程未变形切屑几何数值计算

2.5.1未变形切屑几何数值计算

2.5.2未变形切屑几何数值计算实例

2.6 基于切屑几何的滚削力计算

2.6.1切削力模型选择

2.6.2滚齿切削力计算原理

2.7 本章小结

3 基于滚削力仿真的数控滚齿机床能耗建模

3.1 引言

3.2 数控滚齿机床加工过程能耗分析

3.2.1数控滚齿机床待机与辅助状态功率建模

3.2.2数控滚齿机床空载状态功率建模

3.2.3数控滚齿机床切削状态功率建模

3.3 实验验证与分析

3.3.2待机与辅助功率模型验证

3.3.3空载功率模型验证

3.3.4切削功率模型验证

3.3.5功率模型对比分析

3.3.6整机功率模型验证

3.4 本章小节

4 滚齿加工参数优化

4.1 引言

4.2 滚齿加工参数优化模型

4.2.2优化目标函数

4.2.3约束条件

4.3 优化案例分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间科研成果

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致 谢