CN111753254A - 精拉刀刀齿参数实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种精拉刀刀齿参数实现方法，首先选取拉刀刀齿参数前角、后角和齿升量为设计变量，建立多约束响应曲面模型；选取常用约束，定量建立约束与设计参数间关系；基于面心组合的实现方法，对实验参数选择和水平值进行设定并开展实验；多元回归拟合数据，建立回归方程，得到满足约束条件的响应曲面模型；在许用约束构成的响应曲面的交集中选取得到刀齿设计参数；选择部分集合点验证，得到多约束响应曲面法用于拉刀参数优化设计时的可行性。本发明解决了重型燃气轮机涡轮盘榫槽精拉刀刀齿参数设计问题，并提出了一种可多约束响应曲面法，用于确定精拉刀结构要素设计可选的柔性参数集；也适用于对类似情况的榫槽精拉刀刀齿参数设计。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种重型燃气轮机涡轮盘榫槽的精拉刀刀齿参数实现方法。
背景技术
轮盘榫槽的加工是燃气轮机制造中的关键质量控制工序之一，其加工精度和加工表面完整性直接决定了轮盘榫槽部位配合牢固程度和传力性能、抗疲劳断裂性能、抗蠕变性能、耐腐蚀性能等，最终决定了系统工作可靠性和服役性能。由于轮盘材料的难加工性，以及拉削过程存在的切削力、热、振动多场耦合作用，经常存在刀具磨损严重、刃口崩刃、加工表面质量不稳定与成形精度超差等问题。
对于榫槽拉削这类成形加工工艺，拉刀精准设计是保证榫槽廓形精度的关键手段。拉削不同于其他切削方式，除了切削的速度、深度和宽度、切削时序几乎均由拉刀齿升量、齿宽和齿距等参数保证。然而，当前枞树型榫槽拉刀设计通常以经验设计与类比设计为主，缺乏系统化的实现方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种精拉刀刀齿参数实现方法，通过选取拉刀刀齿参数的设计变量，基于面心组合的实现方法，对实验参数选择和水平值进行设定，对试验数据进行拟合，建立回归方程，在多响应曲面约束下，选择精拉刀刀齿结构要素，选择部分解验证实验模型有效性，实现了榫槽精拉削加工表面质量好的方案。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括以下步骤：
步骤1：确定设计变量主次顺序，采用逐步降维的实现方法选取拉刀刀齿参数前角、后角和齿升量为设计变量；
所述的逐步降维具体是指：选择前角、后角、齿升量、齿距、齿数、刃口半径、刃口宽度、刀齿高、齿槽圆弧半径、齿背厚等刀齿参数为Xm设计变量(X1，X2，X3，……，Xn)，每个设计变量作为列向量构成一个矩阵，并对矩阵的每一个行向量进行0均值化；每个设计变量选择Xn个水平值，构建Xm行Xn列的数据集矩阵Xmn，并进一步得到协方差矩阵和特征值、单位特征向量；计算每个设计变量的方差贡献率和累计方差贡献率，设定贡献率标准，从而确定拉刀刀齿参数的主成分设计变量，记为XSet＝(X1，X2，X3，……，Xn)。
步骤2：选取拉刀设计约束，定量建立约束与设计参数间关系，构建约束与主成分设计变量之间的函数关系式；
所述的拉刀设计的约束特征包括：拉削效率约束、拉削表面质量约束、拉床功率约束、拉刀承载力约束、拉刀承载温度约束、拉削工艺系统承载振动约束，即W1，W2，W3，……，Wn以及刀具耐久性及疲劳寿命约束，函数关系式为W＝(W1，W2，W3，……，Wn)。
所述的函数关系式为：
其中：kai，kbi和kij为相关系数。
步骤3：基于面心组合的实现方法，对实验参数选择即设计向量和水平值进行设定并开展实验；
所述的面心组合的实现方法具体为：针对设计变量即实验参数，确立三水平值，按照立方体结构组合成实验组，开展实验，测量对应的拉刀设计的约束特征响应值。
所述的实验组的组别为15。
步骤4：多元回归拟合数据，建立回归方程；
所述的多元回归具体步骤为：依据步骤3的实验测量响应值，采用多元回归方法拟合数据，构建步骤2的对应各设计约束的函数关系式。
步骤5：选择多约束响应曲面下精拉刀刀齿结构要素；
所述的多约束响应曲面具体步骤为：依据步骤4的回归方程，建立以设计变量为因变量，以设计约束为响应值的响应曲面，设计变量从多个约束共同构成交错耦合的约束空间的交集中选取。
步骤6：验证实验检验模型有效性。
技术效果
本发明整体解决重型燃气轮机涡轮盘榫槽的精拉刀刀齿参数设计的问题，在满足拉刀刃口强度约束和拉削负载约束下，本发明实现了榫槽精拉削加工表面质量好的方案，对类似情况的榫槽精拉刀刀齿参数设计提供了一种重要的参考方法。
附图说明
图1为本发明精拉刀刀齿参数设计流程图；
图2为本发明精拉刀几何参数优选点集合示意图；
图3为本发明在多约束响应曲面簇交集里选取六个验证点的示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种精拉刀刀齿参数实现方法，工件材料选用是高含铬耐热合金钢X12CrMoWVNbN-10-1-1，拉刀采用粉末冶金高速钢REX T15；切削以直角切削方式进行，用于分离分析刃口参数的影响，以免其他参数交互影响；刀齿参数设计范围：前角范围为15°到22°，后角为3°到6°，齿升量为0.04到0.12mm之间；采集软件系统包括Kistler 9272测力仪和Kistler 5070四通道电荷放大器、高速数据采集卡，采用表面粗糙度仪SJ-201对加工表面粗糙度进行测量，其中包含以下具体步骤：
步骤1：确定设计变量主次顺序，逐步降维选择主设计变量。
所述的设计变量Xm选择范围包括：前角、后角、齿升量、齿距、齿数、刃口半径、刃口宽度、刀齿高、齿槽圆弧半径、齿背厚等刀齿参数，每个设计变量作为列向量构成一个矩阵，并对矩阵的每一个行向量进行0均值化；每个设计变量选择Xn个水平值，构建Xm行Xn列的数据集矩阵Xmn，并进一步得到其协方差矩阵及其特征值、单位特征向量；计算每个设计变量的方差贡献率和累计方差贡献率，设定贡献率标准，从而确定拉刀刀齿参数的主成分设计变量，记为XSet＝＝(X1，X2，X3，……，Xn)。
具体实施例中：燃气轮机涡轮盘T0195型榫槽成形拉刀，采用逐步降维的实现方法最终可选取拉刀刀齿参数前角、后角和齿升量为设计变量，建立该三个设计变量的响应曲面约束模型，如图2所示，其中：W1、W2和W3是可用响应曲面表示的约束条件，则拉刀几何设计参数X＝[X1,X2,X3]可在三个响应曲面的交集XSet内选取。
步骤2：选取拉刀设计常用约束，常用约束包括：拉削效率约束、拉削表面质量约束、拉床功率约束、拉刀承载力约束、拉刀承载温度约束、拉削工艺系统承载振动约束、刀具耐久性及疲劳寿命约束，记为W＝＝(W1，W2，W3，……，Wn)；定量建立约束与设计参数间关系，即构建以上约束与主成分设计变量XSet＝(X1，X2，X3，……，Xn)的函数关系式：
步骤3：基于面心组合的实现方法，对实验参数选择和水平值进行设定并开展实验。
所述的面心组合设计针对设计变量即实验参数，确立三水平值，按照立方体结构组合成实验组，共计15组，开展实验，测量对应的拉刀设计的约束特征响应值；实验回归法和有限元分析法用于预测切削力、表面粗糙度和刀具刃口强度，在此基础上通过多响应曲面优化及其实现方法获得拉削高含铬耐热合金钢X12CrMoWVNb N-10-1-1的拉刀刃口参数。
步骤4：多元回归拟合数据，建立回归方程，得到满足约束条件的响应曲面模型。
所述的多元回归具体步骤为：依据步骤3的实验测量响应值，采用多元回归方法拟合数据，构建步骤2的对应各设计约束的函数关系式。
步骤5：依据步骤4的回归方程，建立以设计变量为因变量，以设计约束为响应值的多约束响应曲面，设计变量从多个约束共同构成交错耦合的约束空间的交集中选取。
由多响应曲面法及分析可知，在燃气轮机榫槽拉刀参数设计中，榫槽拉刀需要满足机床功率负载许用要求、加工表面粗糙度要求、刀具材料承载能力要求。在许用约束构成的响应曲面(F’<F’0，Ra<Ra0，S<S0)的交集中选取得到刀齿设计参数。
步骤6：为了验证方法可行性，选择部分集合点验证。
下面选择六组刀具刃口参数进行试验验证，如图3所示，选择6个点作为进一步实验对比点，按照上述方法得出的隶属于设计交集XSet的六组刃口参数对应的实验测量值和误差，所有误差均在10.5％以下，所以多约束响应曲面法是有效的和可信的，可作为刀具几何参数设计依据。
所述的步骤4中，拉削力负载、表面粗糙度、切削刃口结构强度构成多约束响应曲面模型。
a)所述的拉削力为：
F'＝F/w，其中：w为切削刃口宽度，F'为单位长度拉削力，γ为前角，α为后角，δ为拉削齿升量。
b)所述的表面粗糙度为：
其中：Ra为已加工表面粗糙度。
c)所述的拉刀刃口强度约束为：
本发明围绕榫槽精拉刀的刀齿结构要素设计问题开展研究，首先选取拉刀刀齿参数前角、后角和齿升量为设计变量，建立多约束响应曲面模型；选取常用约束，定量建立约束与设计参数间关系；基于面心组合的实现方法，对实验参数选择和水平值进行设定并开展实验；多元回归拟合数据，建立回归方程，得到满足约束条件的响应曲面模型；在许用约束构成的响应曲面(F’<F’0，Ra<Ra0，S<S0)的交集中选取得到刀齿设计参数；为了验证方法可行性，选择部分集合点验证，得到多约束响应曲面法用于拉刀参数优化设计时，其预测值和实验值偏差较小，所有误差均在10.5％以下，解决了重型燃气轮机涡轮盘榫槽精拉刀刀齿参数设计问题，并提出了一种可多约束响应曲面法，用于确定精拉刀结构要素设计可选的柔性参数集；也适用于对类似情况的榫槽精拉刀刀齿参数设计。
本实施例经过具体实际实验，能够得到的数据为：
与现有技术相比，本方法在多响应曲面约束下，选择精拉刀刀齿结构要素，实现了榫槽精拉削加工表面质量好的方案。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种精拉刀刀齿参数实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定设计变量主次顺序，采用逐步降维的实现方法选取拉刀刀齿参数前角、后角和齿升量为设计变量；
步骤2：选取拉刀设计约束，定量建立约束与设计参数间关系，构建约束与主成分设计变量之间的函数关系式；
步骤3：基于面心组合的实现方法，对实验参数选择即设计向量和水平值进行设定并开展实验；
步骤4：多元回归拟合数据，建立回归方程；
步骤5：选择多约束响应曲面下精拉刀刀齿结构要素；
步骤6：验证实验检验模型有效性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤1中的逐步降维具体是指：选择前角、后角、齿升量、齿距、齿数、刃口半径、刃口宽度、刀齿高、齿槽圆弧半径、齿背厚等刀齿参数为Xm设计变量(X1，X2，X3，……，Xn)，每个设计变量作为列向量构成一个矩阵，并对矩阵的每一个行向量进行0均值化；每个设计变量选择Xn个水平值，构建Xm行Xn列的数据集矩阵Xmn，并进一步得到协方差矩阵和特征值、单位特征向量；计算每个设计变量的方差贡献率和累计方差贡献率，设定贡献率标准，从而确定拉刀刀齿参数的主成分设计变量，记为XSet＝(X1，X2，X3，……，Xn)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2中的拉刀设计的约束特征包括：拉削效率约束、拉削表面质量约束、拉床功率约束、拉刀承载力约束、拉刀承载温度约束、拉削工艺系统承载振动约束，即W1，W2，W3，……，Wn以及刀具耐久性及疲劳寿命约束，函数关系式为W＝(W1，W2，W3，……，Wn)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2中的函数关系式为：
其中：kai，kbi和kij为相关系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤3中的面心组合的实现方法具体为：针对设计变量即实验参数，确立三水平值，按照立方体结构组合成实验组，开展实验，测量对应的拉刀设计的约束特征响应值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的实验组的组别为15。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤4中的多元回归具体步骤为：依据步骤3的实验测量响应值，采用多元回归方法拟合数据，构建步骤2的对应各设计约束的函数关系式。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤5中的多约束响应曲面具体步骤为：依据步骤4的回归方程，建立以设计变量为因变量，以设计约束为响应值的响应曲面，设计变量从多个约束共同构成交错耦合的约束空间的交集中选取。
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