基于等磨损约束的枞树型轮槽铣刀几何参数优化

【摘要】枞树型轮槽铣刀是用来加工汽轮机转子的一种成型刀具,而对于转子来讲,其表面的加工质量会对整个汽轮机的机械性能造成影响。除此之外转子的轮槽加工,是属于转子加工过程中极其复杂困难的步骤。枞树型轮槽铣刀是一种复杂型面的成型刀具,其刀刃常采用螺旋刃型线,正时基于这种特殊的刀具结构,因此在整个铣削加工过程中不仅能够正常地改变切屑的流动轨迹,而且还会使切除的工件碎屑沿螺旋导向槽流出,由此在最大限度上使刀具本身散热、最大程度地减弱切削抗力,有效地防止了新生的切屑对己加工表面造成划伤。在进行轮槽铣刀地制备时,除了要满足达到型线精度的最低要求之外,还要确保不同切削刃型线之间的交叉错齿结构。这也保证了在切削加工时不仅切削余量的分配能够均匀,而且将轮槽铣刀的使用寿命大大延长。当进行汽轮机转子的枞树型轮槽铣削加工时,为了使整个切削过程平稳有序进行,同时让铣刀在工作时能够逐点切入,保持连贯性,通常采用直齿或者斜齿结构。进行轮槽铣削加工时,刀具表面会产生较大的切削力,与此同时在切削加工区域产生大量的切削热,最终各种因素同时影响致使刀具发生磨损。因此,根据刀具切削加工的原理,在充分研究铣削加工的基础上对枞树型轮槽铣刀进行几何参数优化,能够在最大程度上减弱刀具对铣削加工过程的影响。本文从现有的研究成果出发,以轮槽铣刀的铣削加工为例,在研究轮槽铣刀的结构特点与主要参数之后,参照直角切削过程切削力的数学模型与规律,首先建立了三维切削过程铣削力的数学模型。在此基础上,基于直角切削温度梯度分布的特点,利用相关软件重新构建了三维斜角自由切削过程的铣削力-热耦合有限元模型。在研究了刀具在金属切削过程中产生磨损的物理和化学机理之后,根据现有刀具磨损的类型,对比不同的磨损类型的原理和特点。按照本文研究的目标,建立了基于刀具不同磨损条件下的等磨损模型。基于轮槽铣刀的造型理论,借助于三维几何造型软件Pro/Engineer的强大功能构建了轮槽铣刀整体式模型。将其导入非线性有限元分析软件DEFORM-3D后,建立了枞树型轮槽铣刀有限元模型。在已有的切削参数及其刀具几何参数基础上,进行了轮槽铣刀的有限元加工仿真。诸如铣削应力、铣削应变、铣削温度及其刀具磨损量等此类重要的数据,都能够在通过动态仿真模拟轮槽铣刀铣削工件这一完整的切削加工过程中全部详细的获取。最后通过对铣削加工时对整个加工过程造成影响的主要因素所进行的深入分析,结合已经对仿真结果进行的数据对比,优化了枞树型轮槽铣刀的几何参数。
【作者】杨辉军；
【导师】陈惠贤；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】轮槽铣刀；铣削力；力-热耦合模型；铣削加工仿真；参数优化；

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