CN113202493A - 一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法，所述的变截面的盘形滚刀刀圈包括刀身和刀刃，所述的刀身为规则的环形标准回转体，所述的刀刃在刀身的外圈，刀刃为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。所述的设计与制造方法，包括通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模，基于CAE有限元模拟仿真实验与分析，得到变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型，通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，得到最佳生产制造工艺参数方案。本发明提高了刀圈破坏岩石的性能，从而提升了刀圈的工作效率；减少了刀圈的失效概率，延长了刀圈的寿命。

Description

一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法
技术领域
本发明涉及一种盘形滚刀，特别涉及一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法。
背景技术
近几年来隧道施工量连年递增，隧道掘进机工法得到普遍推广，盘形滚刀是隧道掘进机的消耗性刀具，在地质结构普遍存在连续性岩体的隧道施工条件下，盘形滚刀的性能决定了隧道掘进工作的整体效率。在隧道掘进机的掘进过程中，盘形滚刀在掘进机的推力与回转扭力的作用下，既随着刀盘进行公转，又依靠其与岩石之间的摩擦力进行自转，在转动的同时楔入岩石，使岩石产生裂纹并碎裂。盘形滚刀刀圈是直接与岩体发生接触、碰撞、挤压以及摩擦的核心零件，提升盘形滚刀刀圈的性能，对提升隧道建设效率起到积极作用。
目前盘形滚刀刀圈主要是采用常截面的回转体结构形式。这种常截面盘形滚刀刀圈经常以局部磨损、断裂等形式失效，主要原因有二，其一是岩体内结构复杂，遇到较松散的岩体时，外表平滑的刀圈与岩体之间的摩擦力不足以产生使其自转的扭矩，一段时间内刀圈可能停止转动，导致局部滑动摩擦，促使疲劳加快了磨损失效。其二是较松散的岩体经过破碎后产生较大的岩块脱落，使一些刀圈侧面受到严重冲击，导致断裂失效。
综上所述，传统盘形滚刀刀圈在破岩效率、使用寿命与岩石适应性等方面存在诸多缺陷，有必要提出一种破岩效率更高、使用寿命更长的盘形滚刀刀圈，以及能够综合参考隧道地质勘探围岩力学性能的刀圈的设计与制造方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种变截面的盘形滚刀刀圈，包括刀身和刀刃，所述的刀身为规则的环形标准回转体，所述的刀刃在刀身的外圈，刀刃为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。
所述的规律变化为刀圈转动一周时，刀刃径向截面轮廓沿着圆周方向按照一定的变化频率经历数次完整的变化周期，每个变化周期内的刀刃径向截面轮廓变化规律相同，即每个变化周期的刀刃宽变化幅度相同，刀刃角变化幅度相同，刀肩角变化幅度相同，刀刃截面变化率相同；所述的变化频率为刀圈转动一周刀刃径向截面轮廓所经历的完整的变化周期的次数；所述的变化周期为刀刃径向截面轮廓沿着圆周方向经历一次完整的变化时，对应的角度值或弧度或弧长。
所述的刀刃宽变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃宽与最小刀刃宽之差的二分之一，用ΔT表示，所述的刀刃角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃角与最小刀刃角之差的二分之一，用ΔA表示，所述的刀肩角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀肩角与最小刀肩角之差的二分之一，用ΔB表示，满足如下关系：
Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT
Amax-A＝A-Amin＝ΔA
Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB
Tmax为最大截面刀刃宽度，T为中间截面刀刃宽度，Tmin为最小截面刀刃宽度；Amax为最大截面刀刃角度，A为中间截面刀刃角度，Amin为最小截面刀刃角度；Bmax为最大截面刀肩角度，B为中间截面刀肩角度，Bmin为最小截面刀肩角度。
本发明还提供一种上述变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，包括以下步骤：
第一步、通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD(计算机辅助设计)建模，得到参数化变截面刀圈设计模型；
第二步、基于不同类型岩石的力学特征进行不同变截面刀圈与不同岩石的滚压过程的CAE(计算机辅助工程)有限元模拟仿真实验与分析，得到适应不同岩石种类的变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型；
第三步、通过CAM(计算机辅助制造)进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，得到最佳生产制造工艺参数方案。
作为优选，第一步所述的通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模包括如下步骤：
步骤一：设计刀身部分回转体，设计参数表中Ri、H、S这三个参数为装配尺寸，应满足互换性装配条件，其中Ri为刀圈内径尺寸，H为刀身轴向高度，S为刀身径向宽度，即刀肩宽度；
步骤一进一步的绘制方法：在三维CAD软件中创建草图1，在草图1中绘制矩形与竖直的回转轴，矩形靠近回转轴的边到回转轴的距离为Ri，长度为H，与对边的间距为S，创建回转特征，回转360度形成刀身回转体；
步骤二：设计刀刃部分中间截面，设计参数表中Ro、T、A、B这四个参数为截面轮廓特征尺寸，为保证磨损量预期不高于传统刀圈，这四个参数可参考传统刀圈截面，其中Ro为刀圈外径，T为中间截面刀刃宽度，A为中间截面刀刃角度，B为中间截面刀肩角度；
步骤二进一步的绘制方法：创建草图2，使草图2与草图1重合，在草图2中绘制竖直回转轴，与草图1中回转轴重合，以草图1中远离回转轴的矩形边线所在直线为底边绘制高等腰三角形，高等腰三角形的顶角角度为A，在高三角形内绘制一条平行于回转轴的线段切割高三角形，切割线段长度为T，线段到回转轴的距离为Ro；以草图1中远离回转轴的矩形边为底边，顶角角度为B绘制矮等腰三角形；两三角形的方向相同、底边在同一直线上、中垂线在同一直线上，两三角形相交，相交所成夹角处倒圆角，圆角半径可参考相同规格的传统刀圈尺寸；删除轮廓内外多余的线段，得到刀刃部分中间截面；
步骤三：设计刀刃部分的最大截面与最小截面，设计参数表中Tmax、Amax、Bmax、Tmin、Amin、Bmin这六个参数为轮廓特征尺寸，其中Tmax为最大截面刀刃宽度，Amax为最大截面刀刃角度，Bmax为最大截面刀肩角度，Tmin为最小截面刀刃宽度，Amin为最小截面刀刃角度，Bmin为最小截面刀肩角度；
建立关系表达式：
Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT
Amax-A＝A-Amin＝ΔA
Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB
ΔT为刀刃宽变化幅度，是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃宽与最小刀刃宽之差的二分之一，ΔA为刀刃角变化幅度，是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃角与最小刀刃角之差的二分之一，ΔB为刀肩角变化幅度，是指刀刃在每个变化周期内最大刀肩角与最小刀肩角之差的二分之一；
步骤三进一步的绘制方法：以草图2为模板分别创建草图3、草图4，在草图3中使用Tmax、Amax、Bmax替换T、A、B，在草图4中使用Tmin、Amin、Bmin替换T、A、B得到刀刃部分最大截面与最小截面；
步骤四：设计刀刃部分变化规律，设计参数表中ω、γ这两个参数为变化规律，其中ω为变化频率，即刀圈转动一周时所经历的完整的变化次数，因为考虑刀圈的动平衡所以取值为正整数，γ为变化周期，即刀圈的刀刃部分沿着圆周方向经历一次完整的变化时，外径圆弧长度或该圆弧的弧度数或该圆弧的角度；建立关系表达式：γ为角度时，γ＝360°/ω；
步骤四进一步的绘制方法：以草图1中回转轴为中心线，将草图2进行360°内等间距圆周阵列2*ω个；将草图3沿着草图1中回转轴为中心线转动γ/4角度，然后将其以草图1的回转轴为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；将草图4沿着草图1中回转轴为中心线与草图3反方向转动γ/4角度，然后将其以草图1的回转轴为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；
步骤五：沿圆周方向依次选取各截面进行封闭式多截面扫掠成实体，布尔组合刀刃与刀身，或者在草图中组合绘制刀刃与刀身之后进行扫掠，得到参数化变截面刀圈设计模型；
步骤五进一步的绘制方法：使用多截面扫掠功能，从草图2开始顺时针或逆时针依次选取每个轮廓截面，进行封闭式扫掠，得到刀刃的回转体，然后将其与步骤一中得到的刀身进行布尔组合，得到参数化变截面刀圈设计模型。
作为优选，第二步所述的CAE有限元模拟仿真实验与分析包括以下步骤：
步骤一：采用有限元分析的方法，制作变截面刀圈滚压岩石滚动一周的动态仿真模型，并求解应力场历程；
步骤一的求解方法：在有限元分析软件中绘制长方体作为岩石模型，长度为刀圈周长2πRo，宽度和高度为长度的三分之一，材料特性选用不同种类的岩石力学特征参数；导入第一步中CAD创建的变截面刀圈设计模型，设定为刚体；预装配刀圈与岩石，设定运动约束条件，网格化模型，求解得到刀圈滚压岩石一周时，各种力学场的历程数据；
步骤二：建立评价标准，以应力分布区域的体积大小衡量破坏效果；
步骤二的求解方法：在上一步的结果中选取应力场的历程输出，截取应力云图中应力大于等于岩石抗拉强度的岩石体积，即破坏体积，公式中以V表示，单位为mm3；在不同的变截面刀圈与不同的岩石相互作用的情况下，被破坏岩石的体积也是不同的，体积越大说明破坏效果越明显；
步骤三：使用多种岩石与多种参数变截面刀圈进行正交实验，得到多组变量数列；
步骤三的求解方法：以变截面刀圈的变化特征参数与岩石力学特征参数为因素，分别取多个水平值，进行多组仿真实验，以破坏体积为评价标准，选取离散最优矩阵；
步骤四：使用步骤三中的数列进行多元线性回归分析，得到岩石参数与变截面刀圈参数的函数表达式；
步骤四的求解方法：将变截面刀圈的变化特征参数作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出各变量系数与系统常数；将岩石的饱和单轴抗压强度与抗拉强度作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出岩石参数的系数，建立函数表达式：
aω+bΔT+cΔA+dΔB+C＝V
k(σc+σt)＝V
aω+bΔT+cΔA+dΔB+C＝k/(σc+σt)
其中a、b、c、d为变截面刀圈的特征参数的系数，k为岩石参数的系数，C为系统常数，ω为变截面刀圈的变化频率，单位为Hz，ΔT为刀刃宽变化幅度，单位为mm，ΔA为刀刃角变化幅度，单位为°，ΔB为刀肩角变化幅度，单位为°，V为岩石破坏体积，单位为mm3，σc为岩石饱和单轴抗压强度，单位为MPa，σt为岩石抗拉强度，单位为MPa；
步骤五、采用遗传算法，规定各变量取值边界条件，输入某隧道项目地质勘查报告中岩石力学特性参数，求变截面刀圈特征参数的最优解；
步骤六、将步骤五中的最优解输入CAD参数化表格，得到针对某隧道的最优变截面刀圈的模型。
作为优选，第三步所述的通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，求得最佳生产制造工艺参数方案包括以下步骤：
步骤一：根据最优变截面刀圈的模型求解材料质量，设计锻压模具；
步骤一的求解方法：CAM软件可根据对象模型与选用的材料自动计算材料质量，使用CAM软件模具设计模块通过设置模具类型，自动生成相应的模具模型，本发明中选用具有上、下锻模结构的型腔锻造；
步骤二：根据模型质量、锻压模具形状、机械加工余量对锻压毛坯圆环的工艺参数进行优化求解，锻压毛坯圆环的工艺参数包括锻压毛坯圆环的尺寸、锻压温度、锻压力；
步骤二的求解方法：根据模型质量设计多种锻压毛坯圆环模型，在锻压模拟模块中分别使用不同的锻压温度、段压力进行多组锻压模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合；
步骤三：根据锻压毛坯圆环的尺寸、模型质量对辗环毛坯的工艺参数进行优化求解，辗环毛坯的工艺参数包括辗环毛坯的尺寸、辗环温度、辗环力、辗环转速；
步骤三的求解方法：根据模型质量设计多种辗环毛坯模型，在辗环模块中分别使用不同的辗环温度、辗环力、辗环转速进行多组辗环模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合；
步骤四：根据辗环毛坯的尺寸对冲孔毛坯的工艺参数进行优化求解，冲孔毛坯的工艺参数包括冲孔毛坯的尺寸、冲压温度、冲压力；
步骤四的求解方法：根据模型质量设计多种冲孔毛坯模型，在冲孔模块中分别使用不同的冲孔温度、冲孔力进行多组冲孔模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合；
步骤五：根据上述步骤结果得到冲孔毛坯尺寸，即下料尺寸，并制定针对某隧道的变截面刀圈的最优锻造工艺参数，得到最佳生产制造工艺参数方案。
本发明的有益效果：
本发明提高了刀圈破坏岩石的性能，本发明中刀刃部分为径向截面轮廓沿着圆周方向呈有规则变化的回转体，用于在滚动前进时与岩石相互挤压产生周期性变化的作用力，使岩石承受周期性拉应力，利用岩石为脆性材料的特性，抗拉强度远低于抗压，能够促进岩石破碎，从而提升了刀圈的工作效率。
本发明减少了刀圈的失效概率，延长了刀圈的寿命，本发明中刀刃部分为径向截面轮廓沿着圆周方向呈有规则变化的回转体，可用于其与岩石滚压运动时刀刃部分外表面产生更多的摩擦阻力，驱使盘形滚刀沿刀轴自转，减少因滚动摩擦启动扭矩不足而导致的局部滑动摩擦磨损的失效可能性，从而提高寿命；用于提高刀圈侧面承受冲击载荷的能力，减少刀圈因受到冲击载荷而断裂的失效可能性。
本发明提高了刀圈的目标岩石的针对性，从整体上提高了刀圈的岩石适应性，本发明以替代传统刀圈为目标，以实现盘形滚刀的性能提升，寿命延长为目的，采用结合CAD、CAE、CAM的方式进行优化设计，最终实现输入某隧道项目地质勘查报告中岩石力学特性参数，即可输出变截面盘形滚刀刀圈的设计参数与制造工艺参数。
附图说明
图1为本发明盘形滚刀刀圈结构示意图；
图2为本发明中间截面绘制示意图；
1、刀身；2、刀刃；3、最大截面；4、中间截面；5、最小截面；6、回转轴。
具体实施方式
请参阅图1所示：
本发明提供的一种变截面的盘形滚刀刀圈，包括刀身1和刀刃2，所述的刀身1为规则的环形标准回转体，所述的刀刃2设在刀身1的外圈，刀刃2为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。
所述的规律变化为刀圈转动一周时，刀刃2径向截面轮廓沿着圆周方向按照一定的变化频率经历数次完整的变化周期，每个变化周期内的刀刃2径向截面轮廓变化规律相同，即每个变化周期的刀刃宽变化幅度相同，刀刃角变化幅度相同，刀肩角变化幅度相同，刀刃截面变化率相同；所述的变化频率为刀圈转动一周刀刃2径向截面轮廓所经历的完整的变化周期的次数；所述的变化周期为刀刃2径向截面轮廓沿着圆周方向经历一次完整的变化时，对应的角度值或弧度或弧长。
所述的刀刃宽变化幅度是指刀刃2在每个变化周期内最大刀刃宽与最小刀刃宽之差的二分之一，用ΔT表示，所述的刀刃角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃角与最小刀刃角之差的二分之一，用ΔA表示，所述的刀肩角变化幅度是指刀刃2在每个变化周期内最大刀肩角与最小刀肩角之差的二分之一，用ΔB表示，满足如下关系：
Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT
Amax-A＝A-Amin＝ΔA
Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB
Tmax为最大截面3刀刃宽度，T为中间截面4刀刃宽度，Tmin为最小截面5刀刃宽度；Amax为最大截面3刀刃角度，A为中间截面4刀刃角度，Amin为最小截面5刀刃角度；Bmax为最大截面3刀肩角度，B为中间截面4刀肩角度，Bmin为最小截面5刀肩角度。
请参阅图1-2所示：
本发明提供的一种上述变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，包括以下三步：
第一步、通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模，得到参数化变截面刀圈设计模型，具体包括如下步骤：
步骤一：设计刀身1部分回转体，设计参数表中Ri、H、S这三个参数为装配尺寸，应满足互换性装配条件，其中Ri为刀圈内径尺寸，H为刀身轴向高度，S为刀身1径向宽度，即刀肩宽度；以20英寸刀圈为例，Ri为167mm，H为89mm,S为23mm；
进一步的绘制方法：在三维CAD软件中创建草图1，在草图1中绘制矩形与竖直的回转轴6，矩形靠近回转轴6的边到回转轴6的距离为Ri，长度为H，与对边的间距为S，创建回转特征，回转360度形成刀身1回转体；
步骤二：设计刀刃2部分中间截面，设计参数表中Ro、T、A、B这四个参数为截面轮廓特征尺寸，为保证磨损量预期不高于传统刀圈，这四个参数可参考传统刀圈截面，其中Ro为刀圈外径，T为中间截面4刀刃宽度，A为中间截面4刀刃角度，B为中间截面4刀肩角度；以20英寸刀圈为例，Ro为251mm，T为18mm，A为15°，B为120°；
进一步的绘制方法：创建草图2，使草图2与草图1重合，在草图2中绘制竖直回转轴6，与草图1中回转轴重合，以草图1中远离回转轴6的矩形边线所在直线为底边绘制高等腰三角形，高等腰三角形的顶角角度为A，在高三角形内绘制一条平行于回转轴6的线段切割高三角形，切割线段长度为T，线段到回转轴6的距离为Ro；以草图1中远离回转轴6的矩形边为底边，顶角角度为B绘制矮等腰三角形；两三角形的方向相同、底边在同一直线上、中垂线在同一直线上，两三角形相交，相交所成夹角处倒圆角，圆角半径可参考相同规格的传统刀圈尺寸；删除轮廓内外多余的线段，得到刀刃2部分中间截面4，如图2所示；
步骤三：设计刀刃2部分的最大截面3与最小截面5，设计参数表中Tmax、Amax、Bmax、Tmin、Amin、Bmin这六个参数为轮廓特征尺寸，其中Tmax为最大截面3刀刃宽度，Amax为最大截面3刀刃角度，Bmax为最大截面3刀肩角度，Tmin为最小截面5刀刃宽度，Amin为最小截面5刀刃角度，Bmin为最小截面5刀肩角度；
建立关系表达式：
Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT
Amax-A＝A-Amin＝ΔA
Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB
ΔT为刀刃宽变化幅度，是指刀刃2在每个变化周期内最大刀刃宽与最小刀刃宽之差的二分之一，ΔA为刀刃角变化幅度，是指刀刃2在每个变化周期内最大刀刃角与最小刀刃角之差的二分之一，ΔB为刀肩角变化幅度，是指刀刃2在每个变化周期内最大刀肩角与最小刀肩角之差的二分之一；以20英寸刀圈为例，ΔT分别为1mm/2mm/3mm/4mm，ΔA分别为1°/2°/3°/4°，ΔB分别为1°/2°/3°/4°，如上每个因素建立四个水平的变量。
进一步的绘制方法：以草图2为模板分别创建草图3、草图4，在草图3中使用Tmax、Amax、Bmax替换T、A、B，在草图4中使用Tmin、Amin、Bmin替换T、A、B其他步骤如上述步骤二所述，得到刀刃2部分最大截面3与最小截面5；
步骤四：设计刀刃2部分变化规律，设计参数表中ω、γ这两个参数为变化规律，其中ω为变化频率，即刀圈转动一周时所经历的完整的变化次数，因为考虑刀圈的动平衡所以取值为正整数，γ为变化周期，即刀圈的刀刃2部分沿着圆周方向经历一次完整的变化时，外径圆弧长度或该圆弧的弧度数或该圆弧的角度；建立关系表达式：γ为角度时，γ＝360°/ω；以20英寸刀圈为例，ω分别为2Hz/4Hz/6Hz/8Hz，则γ分别为180°/90°/60°/45°，如上每个因素建立四个水平的变量。
进一步的绘制方法：以草图1中回转轴6为中心线，将草图2进行360°内等间距圆周阵列2*ω个；将草图3沿着草图1中回转轴6为中心线转动γ/4角度，然后将其以草图1的回转轴6为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；将草图4沿着草图1中回转轴6为中心线与草图3反方向转动γ/4角度，然后将其以草图1的回转轴6为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；
步骤五：沿圆周方向依次选取各截面进行封闭式多截面扫掠成实体，布尔组合刀刃2与刀身1，或者在草图中组合绘制刀刃2与刀身1之后进行扫掠，得到参数化变截面刀圈设计模型；
进一步的绘制方法：使用多截面扫掠功能，从草图2开始顺时针或逆时针依次选取每个轮廓截面，进行封闭式扫掠，得到刀刃2的回转体，然后将其与步骤一中得到的刀身1进行布尔组合，得到参数化变截面刀圈设计模型。
第二步、基于不同类型岩石的力学特征进行不同变截面刀圈与不同岩石的滚压过程的CAE有限元模拟仿真实验与分析，得到适应不同岩石种类的变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型，具体包括以下步骤：
步骤一：采用有限元分析的方法，制作变截面刀圈滚压岩石滚动一周的动态仿真模型，并求解应力场历程；设置的岩石以四种花岗岩为例，单轴饱和抗压强度σc分别为110MPa/120MPa/130MPa/140MPa，抗拉强度σt分别为14MPa/16MPa/18MPa/20MPa，如上每个因素建立四个水平的变量；
求解方法：在有限元分析软件中绘制长方体作为岩石模型，长度为刀圈周长2πRo，宽度和高度为长度的三分之一，材料特性选用不同种类的岩石力学特征参数；导入第一步中CAD创建的变截面刀圈设计模型，设定为刚体；预装配刀圈与岩石，设定运动约束条件，网格化模型，求解得到刀圈滚压岩石一周时，各种力学场的历程数据；
步骤二：建立评价标准，以应力分布区域的体积大小衡量破坏效果；
求解方法：在上一步的结果中选取应力场的历程输出，截取应力云图中应力大于等于岩石抗拉强度的岩石体积，即破坏体积，公式中以V表示，单位为mm3；在不同的变截面刀圈与不同的岩石相互作用的情况下，被破坏岩石的体积也是不同的，体积越大说明破坏效果越明显；
步骤三：使用多种岩石与多种参数变截面刀圈进行正交实验，得到多组变量数列；
求解方法：以变截面刀圈的变化特征参数与岩石力学特征参数为因素，分别取多个水平值，进行多组仿真实验，以破坏体积为评价标准，选取离散最优矩阵；
步骤四：使用步骤三中的数列进行多元线性回归分析，得到岩石参数与变截面刀圈参数的函数表达式；
求解方法：将变截面刀圈的变化特征参数作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出各变量系数与系统常数；将岩石的饱和单轴抗压强度与抗拉强度作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出岩石参数的系数，建立函数表达式：
aω+bΔT+cΔA+dΔB+C＝V
k(σc+σt)＝V
aω+bΔT+cΔA+dΔB+C＝k/(σc+σt)
其中a、b、c、d为变截面刀圈的特征参数的系数，k为岩石参数的系数，C为系统常数，ω为变截面刀圈的变化频率，单位为Hz，ΔT为刀刃宽变化幅度，单位为mm，ΔA为刀刃角变化幅度，单位为°，ΔB为刀肩角变化幅度，单位为°，V为岩石破坏体积，单位为mm3，σc为岩石饱和单轴抗压强度，单位为MPa，σt为岩石抗拉强度，单位为MPa；以20英寸变截面的盘形滚刀刀圈与四种花岗岩特性参数为例得出公式：
450/(σc+σt)＝-0.19ω+0.59ΔT-0.1ΔA+0.01ΔB+3.953
450为岩石参数的系数，-0.19为变截面刀圈变化频率的系数，0.59为刀刃宽变化幅度的系数，-0.1为刀刃角变化幅度的系数，0.01为刀肩角变化幅度的系数，3.953为系统常数。
步骤五、采用遗传算法，规定各变量取值边界条件，输入某隧道项目地质勘查报告中岩石力学特性参数，求变截面刀圈特征参数的最优解；以某工程中花岗闪长岩为例，单轴饱和抗压强度σc为108MPa，抗拉强度σt为16MPa，得到ω为4Hz，ΔT为2.1mm，ΔA为1.5°、ΔB为0.2°。
步骤六、将步骤五中的最优解输入CAD参数化表格，得到针对某隧道的最优变截面刀圈的模型。
第三步、通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，得到最佳生产制造工艺参数方案，具体包括以下步骤：
步骤一：根据最优变截面刀圈的模型求解材料质量，设计锻压模具；
求解方法：CAM软件可根据对象模型与选用的材料自动计算材料质量，使用CAM软件模具设计模块通过设置模具类型，自动生成相应的模具模型，以适应某工程中花岗闪长岩的20英寸变截面刀圈为例，材质选用热作模具钢，经计算模型质量为42.561kg；
步骤二：根据模型质量、锻压模具形状、机械加工余量对锻压毛坯圆环的工艺参数进行优化求解，锻压毛坯圆环的工艺参数包括锻压毛坯圆环的尺寸、锻压温度、锻压力；
求解方法：根据模型质量设计多种锻压毛坯圆环模型，在锻压模拟模块中分别使用不同的锻压温度、段压力进行多组锻压模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合，以适应该工程中花岗闪长岩的20英寸变截面刀圈为例，锻压毛坯圆环尺寸为内径224mm，外径368mm，高度90mm，锻压温度为869°，锻压力为112755.5KN；
步骤三：根据锻压毛坯圆环的尺寸、模型质量对辗环毛坯的工艺参数进行优化求解，辗环毛坯的工艺参数包括辗环毛坯的尺寸、辗环温度、辗环力、辗环转速；
求解方法：根据模型质量设计多种辗环毛坯模型，在辗环模块中分别使用不同的辗环温度、辗环力、辗环转速进行多组辗环模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合，以适应该工程中花岗闪长岩的20英寸变截面刀圈为例，辗环毛坯尺寸为内径150mm，外径271mm，高度120mm，辗环温度为867°，锻压力为20217.5KN，辗环速度为0.24r/s；
步骤四：根据辗环毛坯的尺寸对冲孔毛坯的工艺参数进行优化求解，冲孔毛坯的工艺参数包括冲孔毛坯的尺寸、冲压温度、冲压力；
求解方法：根据模型质量设计多种冲孔毛坯模型，在冲孔模块中分别使用不同的冲孔温度、冲孔力进行多组冲孔模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合，以适应该工程中花岗闪长岩的20英寸变截面刀圈为例，冲孔毛坯尺寸为外径257mm，高度120mm，冲孔温度为860°，锻压力为35325KN；
步骤五：根据上述步骤结果得到冲孔毛坯尺寸，即下料尺寸，并制定针对某隧道的变截面刀圈的最优锻造工艺参数，得到最佳生产制造工艺参数方案，以适应该工程中花岗闪长岩的20英寸变截面刀圈为例，毛坯尺寸为外径257mm，高度120mm，其他工艺过程参数如上述步骤所示。
本发明中所述的CAD、CAE、CAM均为现有计算机应用技术或软件。

Claims (10)

1.一种变截面的盘形滚刀刀圈，其特征在于：包括刀身和刀刃，所述的刀身为规则的环形标准回转体，所述的刀刃在刀身的外圈，刀刃为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。
2.根据权利要求1所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈，其特征在于：所述的规律变化为刀圈转动一周时，刀刃径向截面轮廓沿着圆周方向按照一定的变化频率经历数次完整的变化周期，每个变化周期内的刀刃径向截面轮廓变化规律相同，即每个变化周期的刀刃宽变化幅度相同，刀刃角变化幅度相同，刀肩角变化幅度相同，刀刃截面变化率相同；所述的变化频率为刀圈转动一周刀刃径向截面轮廓所经历的完整的变化周期的次数；所述的变化周期为刀刃径向截面轮廓沿着圆周方向经历一次完整的变化时，对应的角度值或弧度或弧长。
3.根据权利要求2所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈，其特征在于：所述的刀刃宽变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃宽与最小刀刃宽之差的二分之一，用ΔT表示，所述的刀刃角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃角与最小刀刃角之差的二分之一，用ΔA表示，所述的刀肩角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀肩角与最小刀肩角之差的二分之一，用ΔB表示，满足如下关系：
Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT
Amax-A＝A-Amin＝ΔA
Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB
Tmax为最大截面刀刃宽度，T为中间截面刀刃宽度，Tmin为最小截面刀刃宽度；Amax为最大截面刀刃角度，A为中间截面刀刃角度，Amin为最小截面刀刃角度；Bmax为最大截面刀肩角度，B为中间截面刀肩角度，Bmin为最小截面刀肩角度。
4.一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步、通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模，得到参数化变截面刀圈设计模型；
第二步、基于不同类型岩石的力学特征进行不同变截面刀圈与不同岩石的滚压过程的CAE有限元模拟仿真实验与分析，得到适应不同岩石种类的变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型；
第三步、通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，求得最佳生产制造工艺参数方案。
5.根据权利要求4所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：第一步所述的通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模包括如下步骤：
步骤一：设计刀身部分回转体，设计参数表中Ri、H、S这三个参数为装配尺寸，其中Ri为刀圈内径尺寸，H为刀身轴向高度，S为刀身径向宽度，即刀肩宽度；
步骤二：设计刀刃部分中间截面，设计参数表中Ro、T、A、B这四个参数为截面轮廓特征尺寸，其中Ro为刀圈外径，T为中间截面刀刃宽度，A为中间截面刀刃角度，B为中间截面刀肩角度；
步骤三：设计刀刃部分的最大截面与最小截面，设计参数表中Tmax、Amax、Bmax、Tmin、Amin、Bmin这六个参数为轮廓特征尺寸，其中Tmax为最大截面刀刃宽度，Amax为最大截面刀刃角度，Bmax为最大截面刀肩角度，Tmin为最小截面刀刃宽度，Amin为最小截面刀刃角度，Bmin为最小截面刀肩角度；
建立关系表达式：
Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT
Amax-A＝A-Amin＝ΔA
Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB
ΔT为刀刃宽变化幅度，ΔA为刀刃角变化幅度，ΔB为刀肩角变化幅度；
步骤四：设计刀刃部分变化规律，设计参数表中ω、γ这两个参数为变化规律，其中ω为变化频率，即刀圈转动一周时所经历的完整的变化次数，取值为正整数，γ为变化周期，即刀圈的刀刃部分沿着圆周方向经历一次完整的变化时，外径圆弧长度或该圆弧的弧度数或该圆弧的角度；建立关系表达式：γ为角度时，γ＝360°/ω；
步骤五：沿圆周方向依次选取各截面进行封闭式多截面扫掠成实体，布尔组合刀刃与刀身，或者在草图中组合绘制刀刃与刀身之后进行扫掠，得到参数化变截面刀圈设计模型。
6.根据权利要求5所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：步骤一的绘制方法：在三维CAD软件中创建草图1，在草图1中绘制矩形与竖直的回转轴，矩形靠近回转轴的边到回转轴的距离为Ri，长度为H，与对边的间距为S，创建回转特征，回转360度形成刀身回转体；
步骤二的绘制方法：创建草图2，使草图2与草图1重合，在草图2中绘制竖直回转轴，与草图1中回转轴重合，以草图1中远离回转轴的矩形边线所在直线为底边绘制高等腰三角形，高等腰三角形的顶角角度为A，在高三角形内绘制一条平行于回转轴的线段切割高三角形，切割线段长度为T，线段到回转轴的距离为Ro；以草图1中远离回转轴的矩形边为底边，顶角角度为B绘制矮等腰三角形；两三角形的方向相同、底边在同一直线上、中垂线在同一直线上，两三角形相交，相交所成夹角处倒圆角，删除轮廓内外多余的线段，得到刀刃部分中间截面；
步骤三的绘制方法：以草图2为模板分别创建草图3、草图4，在草图3中使用Tmax、Amax、Bmax替换T、A、B，在草图4中使用Tmin、Amin、Bmin替换T、A、B得到刀刃部分最大截面与最小截面；
步骤四的绘制方法：以草图1中回转轴为中心线，将草图2进行360°内等间距圆周阵列2*ω个；将草图3沿着草图1中回转轴为中心线转动γ/4角度，然后将其以草图1的回转轴为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；将草图4沿着草图1中回转轴为中心线与草图3反方向转动γ/4角度，然后将其以草图1的回转轴为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；
步骤五的绘制方法：使用多截面扫掠功能，从草图2开始顺时针或逆时针依次选取每个轮廓截面，进行封闭式扫掠，得到刀刃的回转体，然后将其与步骤一中得到的刀身进行布尔组合，得到参数化变截面刀圈设计模型。
7.根据权利要求4所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：第二步所述的CAE有限元模拟仿真实验与分析包括以下步骤：
步骤一：采用有限元分析的方法，制作变截面刀圈滚压岩石滚动一周的动态仿真模型，并求解应力场历程；
步骤二：建立评价标准，以应力分布区域的体积大小衡量破坏效果；
步骤三：使用多种岩石与多种参数变截面刀圈进行正交实验，得到多组变量数列；
步骤四：使用步骤三中的数列进行多元线性回归分析，得到岩石参数与变截面刀圈参数的函数表达式；
步骤五、采用遗传算法，规定各变量取值边界条件，输入某隧道项目地质勘查报告中岩石力学特性参数，求变截面刀圈特征参数的最优解；
步骤六、将步骤五中的最优解输入CAD参数化表格，得到针对某隧道的最优变截面刀圈的模型。
8.根据权利要求7所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：步骤一的求解方法：在有限元分析软件中绘制长方体作为岩石模型，长度为刀圈周长2πRo，宽度和高度为长度的三分之一，材料特性选用不同种类的岩石力学特征参数；导入第一步中CAD创建的变截面刀圈设计模型，设定为刚体；预装配刀圈与岩石，设定运动约束条件，网格化模型，求解得到刀圈滚压岩石一周时，各种力学场的历程数据；
步骤二的求解方法：在上一步的结果中选取应力场的历程输出，截取应力云图中应力大于等于岩石抗拉强度的岩石体积，即破坏体积，公式中以V表示，单位为mm3；
步骤三的求解方法：以变截面刀圈的变化特征参数与岩石力学特征参数为因素，分别取多个水平值，进行多组仿真实验，以破坏体积为评价标准，选取离散最优矩阵；
步骤四的求解方法：将变截面刀圈的变化特征参数作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出各变量系数与系统常数；将岩石的饱和单轴抗压强度与抗拉强度作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出岩石参数的系数，建立函数表达式：
aω+bΔT+cΔA+dΔB+C＝V
k(σc+σt)＝V
aω+bΔT+cΔA+dΔB+C＝k/(σc+σt)
其中a、b、c、d为变截面刀圈的特征参数的系数，k为岩石参数的系数，C为系统常数，ω为变截面刀圈的变化频率，单位为Hz，ΔT为刀刃宽变化幅度，单位为mm，ΔA为刀刃角变化幅度，单位为°，ΔB为刀肩角变化幅度，单位为°，V为岩石破坏体积，单位为mm3，σc为岩石饱和单轴抗压强度，单位为MPa，σt为岩石抗拉强度，单位为MPa。
9.根据权利要求4所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：第三步所述的通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，求得最佳生产制造工艺参数方案包括以下步骤：
步骤一：根据最优变截面刀圈的模型求解材料质量，设计锻压模具；
步骤二：根据模型质量、锻压模具形状、机械加工余量对锻压毛坯圆环的工艺参数进行优化求解，锻压毛坯圆环的工艺参数包括锻压毛坯圆环的尺寸、锻压温度、锻压力；
步骤三：根据锻压毛坯圆环的尺寸、模型质量对辗环毛坯的工艺参数进行优化求解，辗环毛坯的工艺参数包括辗环毛坯的尺寸、辗环温度、辗环力、辗环转速；
步骤四：根据辗环毛坯的尺寸对冲孔毛坯的工艺参数进行优化求解，冲孔毛坯的工艺参数包括冲孔毛坯的尺寸、冲压温度、冲压力；
步骤五：根据上述步骤结果得到冲孔毛坯尺寸，即下料尺寸，并制定针对某隧道的变截面刀圈的最优锻造工艺参数，得到最佳生产制造工艺参数方案。
10.根据权利要求9所述的一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：步骤一的求解方法：使用CAM软件模具设计模块通过设置模具类型，自动生成相应的模具模型；
步骤二的求解方法：根据模型质量设计多种锻压毛坯圆环模型，在锻压模拟模块中分别使用不同的锻压温度、段压力进行多组锻压模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合；
步骤三的求解方法：根据模型质量设计多种辗环毛坯模型，在辗环模块中分别使用不同的辗环温度、辗环力、辗环转速进行多组辗环模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合；
步骤四的求解方法：根据模型质量设计多种冲孔毛坯模型，在冲孔模块中分别使用不同的冲孔温度、冲孔力进行多组冲孔模拟实验，根据可视化的成型过程与结果判断最优参数组合。
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