CN112380749A - 基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法，本发明建立了滚压轮成形段角度、滚压轮转速与滚压结果之间的关系，基于有限元方法获得滚压轮在滚压加工过程中的总做功，利用响应面法进行仿真试验分析，获得优化工艺参数。本发明在滚压成形机理分析的基础上，采用数值仿真和试验优化设计相结合的方法，解决了传统丝杠滚压工艺优化方法不能面向关键工艺变量进行针对性优化分析，且需要依靠大量物理试验的问题，缩短了工艺设计周期，节约制造成本。本发明特别适用于大长径比滚珠丝杠轴向进给加工，也适用于滑动丝杠及行星滚柱丝杠加工制造。
Description
技术领域：
本发明涉及基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法。
背景技术：
丝杠副(包括滚珠丝杠副)是机械设备上最常使用的传动部件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。在工程机械、能源装备、海洋装备等大型设备中使用的滚珠丝杠具有超大长径比，轴向进给滚压成形是其核心制造技术。然而，丝杠滚压成形过程属于大塑性变形过程，局部高应变及应变率导致其成形机理复杂，难以通过有限的物理试验建立滚压工艺参数与滚压结果之间的定量关系。现有技术主要存在的问题：1)工艺设计长期依靠工人经验及试错方法，面对新型丝杠滚压工艺设计缺少实践与理论基础，导致加工成本高，工艺设计效率低，加工质量难以保证；2)多头丝杠滚压成形工艺系统参数繁多，缺少快速高效的方法针对关键工艺参数进行优化。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供了基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法。本发明在滚压成形机理分析的基础上，采用数值仿真和试验优化设计相结合的方法，解决了传统丝杠滚压工艺优化方法不能面向关键工艺变量进行针对性优化分析，且需要依靠大量物理试验的问题，缩短了工艺设计周期，节约制造成本。
本发明所采用的技术方案有：
基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法，包括：
S1)确定丝杠滚压工艺基本参数，包括丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的夹角α，丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的距离da；
S2)确定丝杠滚压工艺优化参数，包括滚压轮转速ωr以及滚压轮进料段锥角θ；
S3)计算丝杠轴向进给滚压工艺过程中滚压轮与丝杠毛坯之间相对瞬时速度v：
v＝πdr1ωr/60
其中，dr1为滚压轮中径，单位为：mm；ωr为滚压轮转速，单位为：转/分钟；
S4)计算丝杠轴向进给滚压工艺过程中丝杠毛坯的成形截面每次滚压余量ap：
其中，θ为滚压轮进料段锥角，α为丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的夹角，ds1为丝杠中径；
S5)根据丝杠毛坯参数和滚压轮结构设计参数，利用三维建模软件构建丝杠毛坯及滚压轮的参数化几何模型；
S6)将步骤S5中得到的丝杠毛坯及滚压轮的参数化几何模型导入到有限元软件中，然后在有限元软件中选择单元类型、定义材料模型、划分网格、定义接触关系、确定边界及载荷，得丝杠滚压工艺有限元模型；
S7)采用响应面试验设计方法，以滚压瞬时速度v和每次滚压余量ap为变量，以丝杠滚压过程中滚压轮总做功为输出，进行丝杠滚压仿真试验；
S8)根据步骤S7中得到的试验结果，以滚压轮总做功最小为目标，求解滚压参数v和ap，进一步根据步骤S3和S4求解获得优化后的滚压轮转速ωr以及滚压轮进料段锥角θ。
进一步地，步骤S7中的试验设计方法为中心组合设计。
本发明具有如下有益效果：
本发明在滚压成形机理分析的基础上，采用数值仿真和试验优化设计相结合的方法，解决了传统丝杠滚压工艺优化方法不能面向关键工艺变量进行针对性优化分析，且需要依靠大量物理试验的问题，缩短了工艺设计周期，节约制造成本。此方法特别适用于大长径比滚珠丝杠轴向进给加工，也适用于滑动丝杠及行星滚柱丝杠的加工制造。
附图说明：
图1为本发明方法的流程图。
图2和图3为本发明中丝杠滚压工艺基本参数示意图。
图4为本发明中滚压轮示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图4，本发明基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法，本实施设置滚压轮中径为dr1＝200mm，丝杠中径ds1＝17.4mm，具体步骤为：
S1)确定丝杠滚压工艺基本参数，包括丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的夹角α＝1.6°，丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的距离da＝(dr1+ds1)/2＝108.7mm。
S2)确定丝杠滚压工艺优化参数，包括滚压轮转速ωr以及滚压轮进料段锥角θ；
S3)计算丝杠轴向进给滚压工艺过程中滚压轮与毛坯之间相对瞬时速度v：
ν＝πdr1ωr/60
其中，dr1为滚压轮外径，单位为“mm”；ωr为滚压轮转速，单位为“转/分钟”；
ds1为丝杠中径，单位为“mm”；ωs为丝杠毛坯转速，单位为“转/分钟”，drz和dsz分别为滚压轮和丝杠毛坯之间做纯滚动时滚压轮和丝杠毛坯对应的直径；
S4)计算丝杠轴线进给滚压工艺过程中成形截面每次滚压余量ap：
其中，θ为滚压轮进料段锥角，α为丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的夹角；
S5)根据丝杠毛坯参数和滚压轮结构设计参数，利用三维建模软件构建丝杠毛坯及滚压轮的参数化几何模型；
S6)将步骤S5得到的丝杠毛坯及滚压轮的参数化几何模型导入到有限元软件中，然后在有限元软件中选择单元类型、定义材料模型、划分网格、定义接触关系、确定边界即载荷，得丝杠滚压工艺有限元模型；
S7)采用响应面试验设计方法，以滚压瞬时速度v和每次滚压余量ap为变量，以丝杠滚压过程中滚压轮总做功为输出，进行丝杠滚压仿真试验；进行二因子五水平的正交复合(CCD)试验设计，如表1。根据响应曲面法的CCD试验方案，利用最小二乘法拟合响应值与自变量之间的关系方程。对试验数据进行多元回归拟合，可得以滚压轮做功为响应值的多元线性回归模型：
Y＝235.17+77.35A-28.03B+0.63AB-8.41A2+6.81B2+18.65A2B-9.44AB2-44.43A2B2
其中，A为滚压轮的进给量，B为滚压轮的的滚压速度。
S8)根据步骤S7得到的试验结果，以滚压轮总做功最小为目标，考虑滚压效率，以滚压速度为约束，设滚压轮最低转速为5RPM,最高转速为15RPM,则滚压速度v最小值约为52mm/s，最大值约为157mm/s，以此为约束根据响应面模型，以做功最小为优化目标，获得结果：当每次滚压进给量为0.01mm，滚压速度为157时，需要做功最小，为139N.m。即滚压轮转速：ωr＝60v/πdr1＝15RPM，且滚压轮几何参数满足关系式：
表1为本实施例响应面设计及结果
本发明在滚压成形机理分析的基础上，采用数值仿真和试验优化设计相结合的方法，解决了传统丝杠滚压工艺优化方法不能面向关键工艺变量进行针对性优化分析，且需要依靠大量物理试验的问题，缩短了工艺设计周期，节约制造成本。此方法特别适用于大长径比滚珠丝杠轴向进给加工，也适用于滑动丝杠及行星滚柱丝杠的加工制造。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法，其特征在于：包括：
S1)确定丝杠滚压工艺基本参数，包括丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的夹角α，丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的距离da；
S2)确定丝杠滚压工艺优化参数，包括滚压轮转速ωr以及滚压轮进料段锥角θ；
S3)计算丝杠轴向进给滚压工艺过程中滚压轮与丝杠毛坯之间相对瞬时速度v：
v＝πdr1ωr/60
其中，dr1为滚压轮中径，单位为：mm；ωr为滚压轮转速，单位为：转/分钟；
S4)计算丝杠轴向进给滚压工艺过程中丝杠毛坯的成形截面每次滚压余量ap：
其中，θ为滚压轮进料段锥角，α为丝杠毛坯轴线与滚压轮轴线之间的夹角，ds1为丝杠中径；
S5)根据丝杠毛坯参数和滚压轮结构设计参数，利用三维建模软件构建丝杠毛坯及滚压轮的参数化几何模型；
S6)将步骤S5中得到的丝杠毛坯及滚压轮的参数化几何模型导入到有限元软件中，然后在有限元软件中选择单元类型、定义材料模型、划分网格、定义接触关系、确定边界及载荷，得丝杠滚压工艺有限元模型；
S7)采用响应面试验设计方法，以滚压瞬时速度v和每次滚压余量ap为变量，以丝杠滚压过程中滚压轮总做功为输出，进行丝杠滚压仿真试验；
S8)根据步骤S7中得到的试验结果，以滚压轮总做功最小为目标，求解滚压参数v和ap，进一步根据步骤S3和S4求解获得优化后的滚压轮转速ωr以及滚压轮进料段锥角θ。
2.如权利要求1所述的基于滚压轮优化设计数学模型的制造方法，其特征在于：步骤S7中的试验设计方法为中心组合设计。
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