CN115982887B - 一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法，该方法包括以下步骤：步骤1：利用基于材料单位切削力与铣削瞬时切削厚度的切削力计算方法建立盘铣刀各位置单个刀片的瞬时最大切削力计算公式；步骤2：基于单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立关于切削宽度关于时间变化的函数关系；与现有技术相比，本发明构建的优化设计方法以单个刀片的瞬时最大铣削力和平均铣削力情况，计算每个刀片受力的大小来分配切削量，优化特定位置刀片的磨损情况，来平均各个刀片的切削磨损，最终可有效改善特定位置刀片切削工况，延长刀片寿命。

Description

一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法

技术领域

本发明涉及刀具机械加工技术领域，尤其是一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法。

背景技术

钢轨作为铁路运输网络中的关键基础部件，它的服役性能优劣直接关乎列车运行的稳定性和安全性。对轨道交通不断增长的需求导致了更高的动态轴载荷、列车速度和交通量，对钢轨的承载能力提出了更高的要求。在恶劣和复杂的服役条件下，钢轨在和车轮发生动态接触时更容易产生表面损伤和缺陷，例如：轨头核伤、波磨、剥落、暗伤、疲劳裂纹和麻坑，它服役过程中产生的表面损伤和缺陷会导致钢轨失效，甚至使高铁脱轨，必须借助钢轨在线修复盘铣刀进行铣-磨修复定期去除表面缺陷使其恢复正常廓形。铣削过程中伴随的周期性冲击及恶劣的切削条件，使钢轨盘铣刀特定位置铣刀片出现严重磨损甚至崩刃。因此，急需一种考虑瞬时最大铣削力和平均铣削力的刀片排布优化设计方法，延长刀具寿命提升钢轨铣-磨修复效率。

目前针对钢轨在线修复盘铣刀有一些较为成熟的装置。如申请专利号为CN201420222616.9的发明专利公开了一种用于铁道钢轨修复的仿形组合铣刀，针对现有铁路线路钢轨养护整形设备,修正效率低下,且不能修正钢轨轨顶工作面上几何尺寸较大的飞边或毛刺,延长钢轨修正时间,提供修正成本的的技术问题,提供一种用于铁道钢轨修复的仿形组合铣刀,使钢轨轨顶工作面一次修整成型,提高钢轨修整的作业效率。如申请专利号为CN201720314918.2的发明专利公开了一种适用于钢轨铣磨车的成形铣刀盘，与普通的盘铣刀相比设计了与钢轨外轮廓成一定夹角的刀片用于去除钢轨出现的严重肥边，并结合有限元仿真基于切屑模型设计了盘铣刀的新型容屑槽。如申请专利号为CN201821586144.X的发明专利公开了一种铣削钢轨的铣刀盘，设计了一种可在铣削过程中获取铣刀盘的铣削状态信息结构并对铣刀盘进行监测,从而预防铣刀盘可能出现的加工故障，及时停止加工。

但是目前盘铣刀廓形仅仅针对于钢轨未服役时的理论廓形及修复指标进行设计，并没有考虑实际加工过程中钢轨长时间服役后廓形扭曲而导致切削余量浮动变化，使盘铣刀特定位置刀片出现严重磨损的问题。

发明内容

本发明的目的在于钢轨挤压形变后，切削余量不均衡导致盘铣刀特定位置的刀片严重磨损的问题，提出一种考虑刀片瞬时最大铣削力和刀盘周期铣削力的刀片排布优化设计方法，该方法提出了以单齿最大切削面积和瞬时切削总面积波动幅度为约束条件的切削余量分配方法；提出了以粗糙度和单位时间能耗为优化目标的刀片排布方法。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用基于材料单位切削力与铣削瞬时切削厚度的切削力计算方法建立盘铣刀各位置单个刀片的瞬时最大切削力计算公式；

步骤2：基于单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立关于切削宽度关于时间变化的函数关系，

步骤3：:根据步骤一中建立的单刀片瞬时最大切削力计算公式以及步骤二中建立的单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立关于切削宽度关于时间变化的函数关系，建立刀盘周期铣削力计算公式；

步骤4：根据盘铣刀周期铣削力公式，根据不同刀片排布方式计算不同方案盘铣刀周期铣削力；

步骤5：根据不同刀片排布方案，计算盘铣刀加工时单位时间能耗，并进行切削试验检测被加工表面粗糙度，建立以铣削力、单位时间能耗及表面加工质量为三要素的云图，优选刀片排布方案。

进一步的，步骤1中所述的盘铣刀各位置单个刀片的瞬时最大切削力计算公式的建立过程具体包括：

(1)对进行切削实验进行材料单位切削力的标定，根据实验数据与邓格纳公式可得到单位切削力P的函数：

式中，F_c为材料的单位切削面积下的切削力值，u为等效切削厚度对于单位切削力P的影响指数，一般取0.4，h_av为等效切削厚度；

(2)通过弧度转化及端铣经验公式将变化的切削厚度h_e转化为固定的等效切削厚度h_av：

式中，57.325°＝180°/π为弧度转化的数值，a_e为切削深度，R为刀盘半径为常数，f_z为铣削每齿进给量；

(3)根据切削力经典计算公式，将材料的单位切削力与铣削瞬时切削厚度的计算公式进行结合，获得单刀片切削力公式：

F＝P·h_av·b_d (3)

式中，P材料单位切削力(N/mm²)，h_av为等效切削厚度，b_d为切削宽度；

(4)进一步展开，得到切削力关于刀片组数的函数，刀片瞬时最大切削力可由下式得到：

式中，R为刀盘半径为常数，a_e为切削深度为常数，b_d为切削宽度为常数，V_f为切削进给速度，N为刀片组数，n为盘铣刀转速，以不同刀片组数与每组刀片中同位置的刀片所受的切削力的函数关系为依据，进行对刀片组数进行选择。

进一步的，步骤2中所述的刀盘周期铣削力计算公式的建立过程具体包括：

(1)以最先切入削刀片为例，将其设为1号刀片，假设刀片的全部切削刃参与切削的时间节点为T₁₁，则有：

式中，L₁为刀片实际切削刃在XOY平面上的投影长度，β为L₁在XOY平面与Y轴的夹角，XOY平面为铣刀盘在刀片位置处的切向面，纵坐标方向为铣刀盘轴向；

(2)得到刀片全部切削刃参与时间为T₁₁，当T₁₀＜T＜T₁₁时刀片切削层宽度为：

式中，λ为有效切削刃两顶点连线与XOY平面上横坐标的夹角，T表示为一段时间的阶段，T₁₁为刀片全部切削刃参与的时间节点；

(3)同理，可以计算出刀片开始参与切削、刀片切削刃开始切出、完全切出工件的三个时间节点T₁₀，T₁₂，T₁₃之间阶段的切削层宽度，b_d(T)为根据时间轴T进行叠加可得切削宽度b_d关于T的函数组：

式中，l表示为刀片序号，l＝1，2，3，...，K，K为一组刀片的刀片总数，b_dl(T)为第l个刀片在切削宽度b_d关于T时间轴的函数组。

进一步的，步骤3中建立的单刀片瞬时最大切削力计算公式，建立刀盘周期铣削力计算公式，具体包括：

根据步骤一中的切削力公式和步骤二中的切削宽度b_d关于T的函数组，拟合得到刀片周期平均切削力计算公式：

F(N、T)_l＝F(N)_l·b_dl(T) (8)

同理，计算同组内的其余各个刀片的周期平均切削力，最后将所有刀片铣削力曲线根据时间点进行点解得到盘铣刀承受周期平均铣削力随时间T变化的情况，可以根据上述公式分析刀片组数及排布方式对于刀片瞬时最大铣削力和刀盘平均铣削力。

本发明的有益技术效果是：本发明以单刀片的最大切削面积和瞬时切削总面积波动幅度为约束条件得到单个刀片的瞬时最大铣削力和平均铣削力情况，计算每个刀片受力的大小来分配切削量，优化特定位置刀片的磨损情况，来平均各个刀片的切削磨损，并结合粗糙度和单位时间能耗为优化目标，最终优化得到的方案可有效改善特定位置刀片切削工况，延长刀片寿命，提升盘铣刀修复效率。

附图说明

图1为本发明的优化设计方法流程图。

具体实施方式

下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明针对钢轨挤压形变后，切削余量不均衡导致盘铣刀特定位置的刀片严重磨损的问题，提出了以单齿最大切削面积和瞬时切削总面积波动幅度为约束条件的切削余量分配和以粗糙度和单位时间能耗为优化目标的刀片排布方法。

如图1所示，本发明实施提供的一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：利用基于材料单位切削力与铣削瞬时切削厚度的切削力计算方法建立盘铣刀各位置单个刀片的瞬时最大切削力计算公式，具体包括

(1)对进行切削实验进行材料单位切削力的标定，根据实验数据与邓格纳公式可得到单位切削力P的函数：

式中，F_c为材料的单位切削面积下的切削力值，本实施例采用U17Mn钢轨钢作为切削实验的材料，即F_c取1652，u为等效切削厚度对于单位切削力P的影响指数，一般取0.4，h_av为等效切削厚度；

(2)通过弧度转化及端铣经验公式将变化的切削厚度h_e转化为固定的等效切削厚度h_av：

式中，57.325°＝180°/π为弧度转化的数值，为切削时刀具与切削轨道的接触角，a_e为切削深度，R为刀盘半径为常数，f_z为铣削每齿进给量；

(3)根据切削力经典计算公式，将材料的单位切削力与铣削瞬时切削厚度的计算公式进行结合，获得单刀片切削力公式：

F＝P·h_av·b_d (11)

式中，P为材料单位切削力(N/mm²)，h_av为等效切削厚度，b_d为切削宽度；

(4)进一步展开，得到切削力关于刀片组数的函数，刀片瞬时最大切削力可由下式得到：

式中，R为刀盘半径为常数，a_e为切削深度为常数，b_d为切削宽度为常数，V_f为切削进给速度，N为刀片组数，n为盘铣刀转速，以不同刀片组数与每组刀片中同位置的刀片所受的切削力的函数关系为依据，进行对刀片组数进行选择。

步骤2：基于单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立关于切削宽度关于时间变化的函数关系；

铣刀盘上的多组刀片是平均分布在圆周上，在钢轨表面任何一个纵截面上的加工余量是相同情况下，铣刀盘所受的铣削力是一个周期力，且周期为铣刀盘转过一组刀片所需的时间；

根据盘铣刀实际切削加工机制，每个刀片的切削宽度bd都有一个从零增长到有效切削刃长、保持不变再逐渐减小到零的过程，建立切削宽度bd关于切削时间T的函数，通过各个刀片参与切削时间点的切削力耦合得到出一个周期内盘铣刀承受的平均的铣削力，由此可得：

(1)以最先切入削刀片为例，将其设为1号刀片，假设刀片的全部切削刃参与切削的时间节点为T₁₁，则有：

式中，L₁为刀片实际切削刃在XOY平面上的投影长度，β为L₁在XOY平面与Y轴的夹角，本实施例中β为π/9，XOY平面为铣刀盘在刀片位置处的切向面，纵坐标方向为铣刀盘轴向；

(2)得到刀片全部切削刃参与时间为T₁₁，当T₁₀＜T＜T₁₁时刀片切削层宽度为：

式中，λ为有效切削刃两顶点连线与XOY平面上横坐标的夹角，T表示为一段时间的阶段，T₁₁为刀片全部切削刃参与的时间节点；

(3)同理，可以计算出刀片开始参与切削、刀片切削刃开始切出、完全切出工件的三个时间节点T₁₀，T₁₂，T₁₃之间阶段的切削层宽度，b_d(T)为根据时间轴T进行叠加可得切削宽度b_d关于T的函数组：

式中，l表示为刀片序号，l＝1，2，3，...，K，K为一组刀片中的刀片总数，b_dl(T)为第l个刀片在切削宽度b_d关于T时间轴的函数组。

通过以单个刀片最大切削面积和瞬时切削总面积波动幅度为约束条件，来计算得出不同刀片切削时的受力情况，再分配给各位置刀片的切削量，从而优选排列形式平均各个刀片的磨损情况，减少特定位置刀片的磨损来延长刀片的寿命。

步骤3：：根据步骤一中建立的单刀片瞬时最大切削力计算公式以及步骤二中建立的单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立关于切削宽度关于时间变化的函数关系，建立刀盘周期铣削力计算公式，具体包括：

根据步骤一中的切削力公式和步骤二中的切削宽度b_d关于T的函数组，拟合得到刀片周期平均切削力计算公式：

F(N、T)_l＝F(N)_l·b_dl(T) (16)

同理，计算同组内的其余各个刀片的周期平均切削力，最后将所有刀片铣削力曲线根据时间点进行点解得到盘铣刀承受周期平均铣削力随时间T变化的情况，可以根据上述公式分析刀片组数及排布方式对于刀片瞬时最大铣削力和刀盘平均铣削力。

步骤:4：根据盘铣刀周期铣削力公式，根据不同刀片排布方式计算不同方案盘铣刀周期铣削力。

步骤5：根据不同刀片排布方案，计算盘铣刀加工时单位时间能耗，并进行切削试验检测被加工表面粗糙度，建立以铣削力、单位时间能耗及表面加工质量为三要素的云图，依据云图优选刀片排布方案，综合考虑加工表面粗糙度和单位时间能耗使得优选出的方案保证加工质量的同时，确保盘铣刀中每个刀片的受力更为平均，改善特定位置刀片的磨损情况，延长刀片的寿命。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用基于材料单位切削力与铣削瞬时切削厚度的切削力计算方法建立盘铣刀各位置单个刀片的瞬时最大切削力计算公式；

步骤2：基于单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立切削宽度关于时间变化的函数关系，

步骤3：根据步骤一中建立的单刀片瞬时最大切削力计算公式以及步骤二中建立的单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立切削宽度关于时间变化的函数关系，建立刀盘周期铣削力计算公式；

步骤4：根据刀盘周期铣削力计算公式，根据不同刀片排布方式计算不同方案盘铣刀周期铣削力；

步骤5：根据不同刀片排布方案，计算盘铣刀加工时单位时间能耗，并进行切削试验检测被加工表面粗糙度，建立以铣削力、单位时间能耗及表面加工质量为三要素的云图，优选刀片排布方案；

步骤2中所述的基于单组刀片里的各个位置刀片切入工件的时间点建立切削宽度关于时间变化的函数，具体步骤包括：

铣刀盘上的多组刀片是平均分布在圆周上，在钢轨表面任何一个纵截面上的加工余量是相同情况下，铣刀盘所受的铣削力是一个周期力，且周期为铣刀盘转过一组刀片所需的时间；

根据盘铣刀实际切削加工机制，每个刀片的切削宽度b_d都有一个从零增长到有效切削刃长、保持不变再逐渐减小到零的过程，建立切削宽度b_d关于切削时间T的函数，通过各个刀片参与切削时间点的切削力耦合得到出一个周期内盘铣刀承受的平均的铣削力；

(1)以最先切削的刀片为例，将其设为1号刀片，假设刀片的全部切削刃参与切削的时间节点为T₁₁，则有：

式中，L为刀片实际切削刃在XOY平面上的投影长度，β为L在XOY平面与Y轴的夹角，XOY平面为铣刀盘在刀片位置处的切向面，纵坐标方向为铣刀盘轴向；V_f为切削进给速度；

(2)得到刀片全部切削刃参与时间为T₁₁，当T₁₀＜T＜T₁₁时刀片切削层宽度为：

式中，λ为有效切削刃两顶点连线与XOY平面上横坐标的夹角，T表示为一段时间的阶段，T₁₁为刀片全部切削刃参与的时间节点；

(3)同理，可以计算出刀片开始参与切削、刀片切削刃开始切出、完全切出工件的三个时间节点T₁₀，T₁₂，T₁₃之间阶段的切削层宽度，b_d(T)为根据时间轴T进行叠加，可得的切削宽度b_d关于T的函数组：

式中，l表示为刀片序号，l＝1,2,3,…,K，K为一组刀片的刀片总数，b_dl(T)为第l个刀片在切削宽度b_d关于T时间轴的函数组。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法，其特征在于，步骤1所述的盘铣刀各位置单个刀片的瞬时最大切削力计算公式的建立过程具体包括：

(1)对进行切削实验进行材料单位切削力的标定，根据实验数据与邓格纳公式可得到单位切削力P的函数：

式中，F_c为材料的单位切削面积下的切削力值，u为等效切削厚度对于单位切削力P的影响指数，取0.4,h_av为等效切削厚度；

(2)通过弧度转化及端铣经验公式将变化的切削厚度h_e转化为固定的等效切削厚度h_av：

式中，57.325°＝180°/π为弧度转化的数值，a_ε为切削深度，R为刀盘半径为常数，f_z为铣削每齿进给量；

(3)根据切削力经典计算公式，将材料的单位切削力与铣削瞬时切削厚度的计算公式进行结合，获得单个刀片切削力公式：

F＝P·h_av·b_d (3)

式中，P为材料单位切削力，单位为N/mm²，h_av为等效切削厚度，b_d为切削宽度；

(4)进一步展开，得到切削力关于刀片组数的函数，刀片瞬时最大切削力可由下式得到：

式中，R为刀盘半径为常数，a_ε为切削深度为常数，b_d为切削宽度为常数，V_f为切削进给速度，N为刀片组数，n为盘铣刀转速，以不同刀片组数与每组刀片中同位置的刀片所受的切削力的函数关系为依据，进行对刀片组数进行选择。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨修复用盘铣刀刀片排布多目标优化设计方法，其特征在于，步骤3中建立的单刀片瞬时最大切削力计算公式，建立刀盘周期铣削力计算公式，具体包括：

根据步骤一中的切削力公式和步骤二中的切削宽度b_d关于T的函数组，拟合得到刀片周期平均切削力计算公式：

F(N、T)_l＝F(N)_l·b_dl(T) (8)

同理，计算同组内的其余各个刀片的周期平均切削力，最后将所有刀片铣削力曲线根据时间点进行点解得到盘铣刀承受周期平均铣削力随时间T变化的情况，可以根据上述公式分析刀片组数及排布方式对于刀片瞬时最大铣削力和刀盘平均铣削力。