CN111832129A - 基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法 - Google Patents

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刘志强
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明伟伟
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Abstract

一种基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法，以粗拉刀刀齿参数为自变量，建立拉削材料去除率为目标函数；以拉削负载约束和拉刀应力强度约束为优化耦合双重约束，建立榫槽粗拉削余量优化模型，从而得到粗拉削余量分配方法；依据拉削余量分配确定榫槽拉刀采用的组合拉刀块结构。本发明能够科学高效解决榫槽粗拉削余量分配问题。

Description

基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法。
背景技术
F级重型燃气轮机透平端涡轮盘的枞树型槽型圆周分布在轮盘侧面，并在轮盘厚度方向呈现斜直槽。于是，可以选择拉床拉削直槽的槽型。枞树型榫槽成形的创成过程就是拉刀工作顺序分配过程，也是拉削余量的分配过程。对于榫槽拉削余量的分配，可以分为非型线粗加工阶段和型线精加工阶段。其中，粗加工阶段主要目的是尽可能在短的时间内去除加工余量，所以多采用直刃拉刀。拉刀的特征是多齿按照序列顺序依次切削材料。拉削余量的分配包括确定组成齿的排布方式、去除材料时序、每齿切削量(齿升量)、切削宽度、齿数和齿距等。在制定粗拉削余量分配过程中，需要综合考虑拉削工作负载(机床承载能力)、拉削表面完整性、拉削刀具结构强度、切削加工效率和拉刀寿命等多种约束因素。然而，目前针对榫槽的粗拉削余量分配，多是经验设计或参考设计，没有完善科学的设计方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法，能够高效解决榫槽粗拉削余量的分配问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法，以粗拉刀刀齿参数为自变量，建立拉削材料去除率为目标函数；以拉削负载约束和拉刀应力强度约束为优化耦合双重约束，建立榫槽粗拉削余量优化模型，从而得到粗拉削余量分配方法；依据拉削余量分配确定榫槽拉刀采用的组合拉刀块结构。
所述的目标函数为：
Figure BDA0002564194800000011
其中：MRR为拉削材料的去除量，zw为拉刀的最大工作齿数，hfi为拉刀的齿升量，Li为每段刀具切削刃的长度，Vc为拉削速度。
所述的拉削负载约束具体为：zwFcLiVc＜Pl、
Figure BDA0002564194800000012
和
Figure BDA0002564194800000021
其中：zw为拉刀的最大工作齿数；Fc为刀具的每个齿的切削力；Pl为拉床的最大功率；Fc切削合力；Ft为进给方向的切削力；Ff为法向方向的切削力；Ktc和Kte为进给方向切削力系数；Kfc和Kfe为法向方向切削力系数。
所述的拉刀应力强度约束具体为：Cfσs≤[σ]max和σs＝845.28·hfi 0.4945·p0.1568，其中：Cf为可靠性系数，范围为1.2～1.4；σs为刀具每个齿的切削应力；[σ]max为材料的最大屈服应力。
所述的榫槽粗拉削余量优化模型，以拉削材料切削去除率最大为优化目标。
所述的组合拉刀块结构为：矩形槽粗拉削部分的拉刀和斜直齿拉刀完成齿侧非型线部分的粗拉削进行组合的结构。
技术效果
本发明整体解决现有技术无法有效解决榫槽粗拉削余量的分配问题。
与现有技术相比，本发明基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法，以粗拉刀刀齿参数为自变量，建立拉削材料去除率为目标函数；以拉削负载约束和拉刀应力强度约束为优化耦合双重约束，建立榫槽粗拉削余量优化模型，从而得到粗拉削余量分配方法。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为榫槽粗拉削去除率和切削负载功率等值线图；
图3为榫槽粗拉削加工刀具应力与齿升量及齿距空间曲面图；
图4为榫槽粗拉削最优参数设计图；
图5为枞树型线粗拉刀齿宽与齿升量的关系图。
具体实施方式
本实施例涉及一种基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法，采用重型燃气轮机涡轮盘枞树型线的榫槽非型线拉刀，刀具材料采用粉末冶金高速钢，刀具最小的齿升量大于0.01mm，会导致不能正常剪切，发生挤压。粗加工时拉刀的前角γ为20°，后角α为3°。机床的最大功率Pl为250KW，齿宽Li的为15～55mm，切削速度为10m/min，工作的齿数为zw为5。榫槽非型线粗拉削阶段采用的拉削余量分配方式主要有同廓(成形)分层式拉削、渐成分层式拉削和分块式拉削，本实施例通过下述方法分配：
如图1所示，步骤1、建立榫槽粗拉削余量优化方法的多约束优化数学模型包括以拉削材料去除率为建立目标函数，以拉削负载、拉刀应力强度为优化耦合双重约束，以组合拉刀齿升量为优化自变量。
步骤2、建立拉削材料的去除量目标函数：
Figure BDA0002564194800000031
其中：MRR为拉削材料的去除量，zw为拉刀的最大工作齿数，hfi为拉刀的齿升量，Li为每段刀具切削刃的长度，Vc为拉削速度。在拉刀参数一定的已知条件下，随着Li的增大，拉削的效率逐渐提高。
步骤3、建立约束模型，以拉削负载、拉刀应力强度为优化耦合双重约束。
所述的拉削负载约束具体为：zwFcLiVc＜Pl、
Figure BDA0002564194800000032
和
Figure BDA0002564194800000033
其中：zw为拉刀的最大工作齿数；Fc为刀具的每个齿的切削力；Pl为拉床的最大功率；Fc切削合力；Ft为进给方向的切削力；Ff为法向方向的切削力；Ktc和Kte为进给方向切削力系数；Kfc和Kfe为法向方向切削力系数。
所述的最大工作齿数为：
Figure BDA0002564194800000034
其中：Lw为工件拉削长度为125mm，P为齿距为24.9mm，则最大工作齿数为5。
所述的拉刀应力强度约束具体为：Cfσs≤[σ]max和σs＝845.28·hfi 0.4945·p0.1568，其中：Cf为可靠性系数，范围为1.2～1.4；σs为刀具每个齿的切削应力；[σ]max为材料的最大屈服应力。根据刀具材料的最大屈服应力值为700MPa，可得刀具的齿升量为0.16mm以内。
步骤4、对目标函数进行优化，具体通过以下步骤：
1)如图2所示，虚线表示切削去除量MRR等值线，实线表示拉刀负载功率Pl等值线。当拉刀负载功率Pl＝150KW时，分别与MRR＝300cm3/min相交于B点，与MRR＝400cm3/min相交于E点，这表明在拉刀负载功率不变的情况下，通过调整齿距和齿升量可实现材料去除量提高33.3％，由此易见，E处的刀齿参数优于B处。同样，在最大去除率相同的条件下，选择合理的刀具参数获得最低的拉刀负载。当最大去除量MRR等于300cm3/min时，分别与拉刀负载功率等值线Pl＝100KW相交于A点，与等值线Pl＝150KW相交于B点，与等值线Pl＝200KW相交于C点，与等值线Pl＝500KW相交于D点。可见A点处的拉刀负载功率更小，该工况更理想。通过以上分析可以得知，在图2的右下角区域的加工参数能同时获得较低的拉刀负载功率和较大的最大去除量。可见，在允许的拉刀负载功率的前提下，满足最优去除率的最优齿距和齿升量取值参数组合。根据图2可得到的拉刀负载功率和最大去除量关系图，故对于大尺寸枞树榫槽型的非型线粗拉削加工，一般不采用同廓分层式为枞树型轮槽非型线拉削方式。
2)由于同廓分层式不适合型线尺寸比较大的榫槽粗拉削加工，下面对比分析渐成分层式与成组分块轮切式拉削方式的余量分配，如图4所示，假设两者切宽相同，都为40mm，可得齿升量范围分别为0.03～0.06mm和0.08～0.12mm。由图2可知，MRR变化率较拉刀负载功率的变化率要高，符合图2右下角的趋势，故对于透平轮盘的榫槽拉削选择成组分块轮切式。由图4可知，成组分块轮切式最佳刀具参数为：齿升量0.059mm、齿距24.9mm，成组分块轮切式对应的最大切削去除量MRR为147.5cm3/min。
3)对于重型燃气轮机涡轮盘枞树型线的榫槽非型线拉刀，粗拉削阶段使用直刃平面拉刀成组分块拉削。由图4得到成组分块轮切式的最优点数值，固定齿距为24.9mm，并依此得到刀具负载功率相对于切削刃工作宽度与齿升量的投影，如图5所示。根据重型燃气轮机的第三级涡轮盘枞树型线尺寸，可将涡轮盘榫槽的粗拉刀根据切削不同区域尺寸确定所需的宽度，分为以下几种类型：刀具刃宽度为50mm，齿升量为0.059mm；刀具刃宽度为33mm，齿升量为0.061mm；刀具刃宽度为16mm，齿升量为0.063mm；刀具刃宽度为120mm，齿升量为0.053mm；刀具刃宽度为14mm，齿升量为0.084mm；刀具刃宽度为50mm，齿升量为0.059mm。针对枞树型线拉削设计的齿升量分配见表1，作为枞树型线拉刀设计余量分配参考依据。
表1枞树型线拉削设计的齿升量分配汇总
Figure BDA0002564194800000041
本发明适用于类似零件的榫槽粗拉削加工余量分配。
经过具体实际实验，重型燃气轮机的第三级涡轮盘枞树型线尺寸，可将涡轮盘榫槽的粗拉刀根据切削不同区域尺寸确定所需的宽度，分为以下几种类型：刀具刃宽度为50mm，齿升量取0.059mm；刀具宽度为33mm，齿升量为0.061mm；其刀具宽度为16mm，齿升量为0.063mm；刀具宽度为120mm，齿升量为0.053mm；刀具宽度为14mm，齿升量为0.084mm；刀具宽度为50mm，齿升量为0.059mm。
与现有技术相比，本方法成组分块轮切式最佳刀具参数为：齿升量0.059mm、齿距24.9mm。成组分块轮切式对应的最大切削去除量MRR为147.5cm3/min。渐成分层式最佳刀具参数为：齿升量0.045mm、齿距为39mm。渐成分层式对应的最大切削去除量MRR为270cm3/min。
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 (7)

1.一种基于多约束优化的榫槽粗拉削余量优化方法，其特征在于，以粗拉刀刀齿参数为自变量，建立拉削材料去除率为目标函数；以拉削负载约束和拉刀应力强度约束为优化耦合双重约束，建立榫槽粗拉削余量优化模型，从而得到粗拉削余量分配方法；依据拉削余量分配确定榫槽拉刀采用的组合拉刀块结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的目标函数为：
Figure FDA0002564194790000011
其中：MRR为拉削材料的去除量，zw为拉刀的最大工作齿数，hfi为拉刀的齿升量，Li为每段刀具切削刃的长度，Vc为拉削速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的拉削负载约束具体为：zwFcLiVc＜Pl、
Figure FDA0002564194790000012
和
Figure FDA0002564194790000013
其中：zw为拉刀的最大工作齿数；Fc为刀具的每个齿的切削力；Pl为拉床的最大功率；Fc切削合力；Ft为进给方向的切削力；Ff为法向方向的切削力；Ktc和Kte为进给方向切削力系数；Kfc和Kfe为法向方向切削力系数。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是，所述的最大工作齿数为：
Figure FDA0002564194790000014
其中：Lw为工件拉削长度，P为齿距。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的拉刀应力强度约束具体为：Cfσs≤[σ]max和σs＝845.28·hfi 0.4945·p0.1568，其中：Cf为可靠性系数，范围为1.2～1.4；σs为刀具每个齿的切削应力；[σ]max为材料的最大屈服应力。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的数学模型是以拉削材料切削去除率最大为优化目标。
7.根据权利要求1所述的方法，所述的组合拉刀块结构为：矩形槽粗拉削部分的拉刀和斜直齿拉刀完成齿侧非型线部分的粗拉削进行组合的结构。
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