CN112084587A - 枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法 - Google Patents

Abstract

一种枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，通过对枞树型拉刀曲线刃口进行离散化，建立局部坐标系下的微元刀具切削力模型，并将局部坐标系下的切削力通过坐标旋转变换至全局坐标系，对全局坐标系下的微元刀具切削力求和得到单齿切削力，最后建立多齿拉刀动态拉削力模型。本发明针对拉刀拉削力载荷时序特性，通过动态切削力预测模型精确预测枞树型齿廓多齿精拉刀动态切削力。

Description

枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，用于加工重型燃气轮机的轮盘榫槽的多齿组合拉刀拉削力载荷时序特性分析和建立预测模型。

背景技术

重型燃气轮机压气轮盘和透平涡轮盘的榫槽拉削加工是燃气轮机制造中关键质量控制工序，其加工质量直接影响轮盘承受复杂热力交变工作载荷的能力。综合考虑榫槽型线尺寸、拉削负载及拉床工作行程等因素，重型燃气轮机的轮盘榫槽通常加工采用组合拉刀。精加工采用逼近枞树型线的曲线刃拉刀，以轮切分块方式或同廓分层的方式去除材料。由于拉刀是序列化多齿刀具，刀齿相继切入切出的过程具有典型的矩形波时间脉冲特征。拉削力的大小与分布直接影响了拉刀的寿命、工件的已加工表面质量。另外，拉削力也相应呈现出时间序列动态特性，并成为拉削工艺系统的强迫振动激励源。因此拉削力的预测分析是拉刀设计的首要步骤，也是拉削工艺参数制定、拉床选择的重要参考物理量。因此，准确地预测拉削力是进行拉刀设计与拉削工艺应用的必要前提。

拉削力建模与预测分析同其他切削过程类似，通常有三种方法：基于二维直角/斜角切削理论的解析法；切削物理仿真法；基于实验参数回归的经验公式法。由于实际拉削过程中复杂的刀具形状和复杂的加工工况，解析法和仿真法在实际拉削力预测中误差较大。第三种方法是以斜角切削力学分析和切削参数转换为基础，通过切削实验回归切削力系数，建立切削力模型。因此，对于复杂刀具的切削力建模，先将刀具沿刃口离散化若干微单元刀具，然后转换为斜角切削的思路是行之有效，且容易迁移应用的方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，针对拉刀拉削力载荷时序特性，通过动态切削力预测模型精确预测枞树型齿廓多齿精拉刀动态切削力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，通过对枞树型拉刀曲线刃口进行离散化，建立局部坐标系下的微元刀具切削力模型，并将局部坐标系下的切削力通过坐标旋转变换至全局坐标系，对全局坐标系下的微元刀具切削力求和得到单齿切削力，最后建立多齿拉刀动态拉削力模型。

所述方法具体步骤包括：

步骤1：将枞树型拉刀曲线刃口离散化为微元刀具。其中第k个刀齿的每个微元编号为n(n＝1,2,3,……,N)。

步骤2：根据斜角切削原理建立局部坐标系下的微元刀具切削力模型，具体为：

其中：f_tn、f_fn、f_rn分别为微元刀具的切向力、轴向力和法向力；t、f和r分别代表切向、轴向和法向；K_c和K_e分别为摩擦作用和剪切作用对应的切削力系数，可通过切削试验数据进行拟合得到；t_n为切削层厚度(齿升量)；dl_n为切削长度。

步骤3：通过坐标旋转变换将局部坐标系下的切削力变换至全局坐标系下的切削力，具体为：

其中：γ_n为前角；λ_s为刃倾角；f_tn、f_fn、f_rn为局部坐标系下的微元刀具切削力；f_Xn、f_Yn、f_Zn为全局坐标系下的微元刀具切削力。

步骤4：对全局坐标系下的微元刀具切削力求和，得到单齿切削力，具体为：

步骤5：根据拉刀拉削过程中F_X为主要的分量，以F_X代表拉削力，建立动态拉削力模型：F(t)＝F_X(t)+F_Γ(t)，其中：

切入切出阶段的瞬态载荷

稳定工作齿数的切削载荷

τ_i为参与切削的瞬时齿数，b₁为刃口宽度，h_fi为齿升量，H为工件待切高度，T为两个相邻齿距接触时间的间隔，

Z_w为同时工作的齿数，取整数之后为

步骤6：根据步骤5建立的预测模型，即可预测枞树型齿廓多齿精拉刀拉削力。

技术效果

与现有技术相比，本发明建模过程简单，模型预测精度高。

附图说明

图1为本发明的枞树型齿廓多齿精拉刀拉削力预测方法流程图；

图2为本发明的枞树型拉刀刃口离散化为若干段直线刃口斜角拉削模型；

图3为本发明的拉刀截面示意图；

图4为本发明的拉刀切入切出过程中总拉削力变化和切入切出阶段瞬态载荷波形图；

图5为本发明的多齿拉刀拉削力实验值与预测值对比图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，具体步骤包括：

步骤1：枞树型拉刀曲线刃口离散化：如图2所示，首先将切削刃离散为多个单刃微元刀具。组合拉刀由N₁组拉刀组成，每组拉刀由N₂个刀段，每个刀段共有N₃个刀齿，刀齿编号为k，k＝1,2,3,……,N₃。如第k个刀齿离散化为微元，每个微元编号为n，n＝1,2,3,……,N。

步骤2：建立局部坐标系下的微元刀具切削力模型。在刃口的局部坐标系下，根据斜角切削原理，得到离散后的微元刀具的切向力、法向力和轴向力分别为f_ti、f_fi、f_ri。

其中：K_c和K_e分别是摩擦作用和剪切作用对应的切削力系数，可通过切削试验数据进行拟合得到；t_n为切削层厚度(齿升量)；dl_n为切削长度。

步骤3：局部坐标系下的切削力通过坐标旋转变换至全局坐标系。将步骤1得到的每个微元刀具的切削力转换到全局坐标系下，得到全局坐标下对应每个单元刀具切削力f_Xn、f_Yn、f_Zn，坐标旋转变换方程为：

其中：γ_n为前角，λ_s为刃倾角。

步骤4：对全局坐标系下的微元刀具切削力求和，得到单齿切削力

步骤5：建立多齿拉刀动态拉削力模型：如图3所示，以单一刀块的拉刀截面为例，相似廓形的拉刀块上面有N₃个刀齿，刀块上刀齿排序为n_g，n_g＝0,1,……,N₃。当工件的高度小于齿距时，拉削的工作齿数会上下浮动。

如图4所示为拉刀拉刀切入切出过程中总拉削力变化和切入切出阶段瞬态载荷波形图，鉴于拉刀拉削过程中F_X是主要的分量，以F_X代表拉削力建立拉削力模型：F(t)＝F_X(t)+F_Γ(t)，其中：F_X(t)为稳定工作齿数的切削载荷；F_Γ(t)为切入切出阶段的瞬态载荷，即引起拉削过程振动不稳定的影响因素，F_X(t)和F_Γ(t)的表达式为：

其中：H为工件待切高度，齿升量为h_fi，τ_i为参与切削的瞬时齿数，b₁为刃口宽度，齿距为p，工件需要拉削长度为L_w，则同时工作齿数为

取整数之后为

在

周期内，其脉冲时间为

T为两个相邻齿距接触时间的间隔，

拉削速度为v。

对切入切出阶段的瞬态载荷F_Γ(t)进行傅里叶展开成频域内的三角函数形式，从而建立动态拉削力模型为：

步骤6：根据步骤5建立的预测模型，结合实际拉削工况的相应参数，即可预测枞树型齿廓多齿精拉刀拉削力。

经过具体实际实验，在拉削速度10m/min，工件为X12CrMoWVNbN1011耐热合金，采用干式切削、拉刀前角为20°，拉刀齿升量h_fi分别为0.04mm和0.16mm的工况下进行拉削实验，使用测力仪测量获得拉削方向的切削力，并与预测结果进行对比，如图5所示。切削力预测值基本趋势与实验情况类似，数值也在测量的平均值附近，各段综合误差为9.1％。

与现有技术相比，本方法针对复杂结构的枞树型精拉刀，对动态切削力的建模方法简单，且预测精度高。

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 (2)

1.一种枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，其特征在于，通过对枞树型拉刀曲线刃口进行离散化，建立局部坐标系下的微元刀具切削力模型，并将局部坐标系下的切削力通过坐标旋转变换至全局坐标系，对全局坐标系下的微元刀具切削力求和得到单齿切削力，最后建立多齿拉刀动态拉削力模型。

2.根据权利要求1所述的枞树型齿廓精拉刀拉削力预测方法，其特征是，具体步骤包括：

步骤1：将枞树型拉刀曲线刃口离散化为微元刀具，其中第k个刀齿的每个微元编号为n；

步骤2：根据斜角切削原理建立局部坐标系下的微元刀具切削力模型，具体为：

其中：ftn、ffn、frn分别为微元刀具的切向力、轴向力和法向力；t、f和r分别代表切向、轴向和法向；K_c和K_e分别为摩擦作用和剪切作用对应的切削力系数，可通过切削试验数据进行拟合得到；tn为切削层厚度(齿升量)；dln为切削长度；

步骤3：通过坐标旋转变换将局部坐标系下的切削力变换至全局坐标系下的切削力，具体为：

其中：γ_n为前角；λ_s为刃倾角；ftn、ffn、frn为局部坐标系下的微元刀具切削力；fXn、fYn、fZn为全局坐标系下的微元刀具切削力；

步骤4：对全局坐标系下的微元刀具切削力求和，得到单齿切削力，具体为：

步骤5：根据拉刀拉削过程中F_X为主要的分量，以F_X代表拉削力，建立动态拉削力模型：F(t)＝F_X(t)+F_Γ(t)，其中：切入切出阶段的瞬态载荷

稳定工作齿数的切削载荷

τ_i为参与切削的瞬时齿数，b₁为刃口宽度，h_fi为齿升量，H为工件待切高度，T为两个相邻齿距接触时间的间隔，

Z_w为同时工作的齿数，取整数之后为

步骤6：根据步骤5建立的预测模型，即可预测枞树型齿廓多齿精拉刀拉削力。

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