三维复杂槽型铣刀片槽型优化原理与优化技术的研究

论文摘要

金属切削加工是机械工业中的基本工艺方法,刀具是金属切削加工中的主要工具,刀具在很大程度上影响着机械产品的质量与可靠性。随着刀片材料及其制造技术的发展,具有复杂槽型的新型硬质合金铣刀片不断出现,三维复杂槽型铣刀刀片的应用日益广泛。目前国内外研制的铣刀片槽型多是以经验加试验的方法定型的,缺乏理论研究基础,槽型的优劣没有统一的判断依据。因此,进行三维复杂槽型铣刀片槽型优化原理与优化技术的研究,以解决自动化生产中刀具破损这一关键技术问题,保证FMS、CIMS等先进制造系统的正常运行。因此,本课题从提高三维复杂槽型铣刀片的切削性能和可靠性出发,建立三维复杂槽型铣刀片表面受力、受热密度函数数学模型;以表面受力、受热密度函数为边界条件进行三维复杂槽型铣刀片应力场、温度场及其耦合物理场的有限元分析,并对三维应力场和温度场及其耦合场进行模糊数学评判;在实验的基础上,进行三维复杂槽型铣刀片冲击破损和粘结破损的试验研究;以最小刀具破损为目标进行优化目标函数的建立,为建立三维复杂槽型铣刀片槽型优化CAD系统打下基础。首先,在已建立的三维复杂槽型铣刀片铣削力数学模型基础上,进行大量、系统的切削实验,建立铣削力的实验式以及刀-屑接触长度与接触宽度的实验式,从而建立三维复杂槽型波形刃铣刀片的表面受力密度函数数学模型,并进行定量计算对其分布规律进行分析,为三维应力场的分析研究奠定基础。其次,在已建立的三维复杂槽型铣刀片表面受力密度函数数学模型基础上,对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片进行了三维应力场有限元分析,并对有限元分析结果进行模糊数学综合评判。根据波形刃铣刀片表面受力密度函数分布规律及在铣削周期内的受力分析,应用弹性力学方法,采用双调和方程进行三维复杂槽型铣刀片切入过程应力状态分析。第三,针对不同的槽型及刀片材质进行铣刀片冲击破损实验,对比分析几种槽型铣刀片破损形貌。采用数理统计的方法建立几种铣刀片冲击破损寿命累积分布函数数学模型,进行冲击破损寿命比较分析,从而对铣刀片三维应力场有限元分析的结果进行检验。第四,在已建立的三维复杂槽型铣刀片铣削温度数学模型基础上,采用人工热电偶法测量刀-屑接触面的铣削温度,建立前刀面刀-屑接触区的平均温度与时间之间的实验方程式,从而建立铣刀片表面受热密度函数与温度场数学模型。以受热密度函数为边界条件,进行波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片三维温度场有限元分析,并对有限元分析结果进行模糊数学综合评判。进行三维复杂槽型铣刀片粘结破损量化数学模型的研究,建立前刀面刀-屑接触区铣削温度与最大粘结破损深度的关系,从而可以根据铣刀片前刀面上的最高温度,预测其粘结破损情况。最后,对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的温度场和应力场进行热-应力耦合场分析,探讨耦合情况下等效应力的分布规律和受力变形状况,并对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的耦合场进行模糊数学综合评判。以最小冲击破损和粘结破损为目标,建立应力场模糊综合评判结果与背吃刀量之间的目标函数关系和温度场模糊综合评判结果与背吃刀量之间的目标函数关系,运用优化理论对目标函数进行优化,为设计和开发新槽型提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 国内外金属切削刀具现状与发展趋势
• 1.2.1 国内外刀具技术发展概况
• 1.2.2 国内外金属切削刀具技术发展趋势
• 1.3 铣刀及铣刀片国内外发展概况
• 1.3.1 铣刀片国产化现状
• 1.3.2 铣刀片设计开发的变化趋势
• 1.4 铣削刀具及其槽型开发设计与优化技术研究现状
• 1.4.1 国内外刀具及其槽型开发设计现状
• 1.4.2 铣削刀具槽型几何单元及优化设计实现过程
• 1.5 铣刀片槽型优化原理与技术研究概况
• 1.5.1 铣刀片槽型优化原理的研究现状
• 1.5.2 硬质合金铣刀片破损的研究概况
• 1.6 论文研究的思路和内容
• 1.6.1 课题研究的总体思路
• 1.6.2 本文的主要研究内容
• 第2章 三维复杂槽型铣刀片受力密度函数及其分布规律的研究
• 2.1 引言
• 2.2 铣刀片铣削力数学模型的建立
• 2.3 铣刀片表面受力密度函数的建立
• 2.3.1 受力密度函数的理论公式
• 2.3.2 铣削力实验式的建立
• 2.3.3 刀-屑接触面积实验公式建立
• 2.3.4 表面受力密度函数的建立
• 2.4 受力密度函数分布规律的研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 铣刀片应力场分析评判及其切入过程应力状态的研究
• 3.1 引言
• 3.2 有限元分析方法简介
• 3.3 铣刀片应力场有限元分析
• 3.3.1 有限元分析模型的建立
• 3.3.2 有限元分析模型的网格划分
• 3.3.3 边界条件的确定及应力场分析
• 3.4 铣刀片应力场模糊数学综合评判
• 3.4.1 模糊综合评判方法的基本理论
• 3.4.2 应力场模糊综合评判
• 3.5 铣刀片切入过程应力状态的研究
• 3.5.1 切入冲击力方向的确定
• 3.5.2 应力状态的弹性力学分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 三维复杂槽型铣刀片冲击破损数学模型与槽型优选的研究
• 4.1 引言
• 4.2 三维复杂槽型铣刀片冲击破损实验
• 4.2.1 冲击破损实验设计
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 冲击破损寿命累积分布函数数学模型的建立
• 4.3.1 威布尔分布函数的特性分析
• 4.3.2 冲击破损寿命累积分布函数的建立
• 4.4 柯尔莫哥洛夫检验
• 4.5 铣刀片冲击破损寿命对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 铣刀片温度场数学模型及粘结破损变化规律的研究
• 5.1 引言
• 5.2 三维复杂槽型铣刀片铣削温度数学模型
• 5.3 三维复杂槽型铣刀片铣削温度实验研究
• 5.3.1 铣刀片测温孔的获得
• 5.3.2 温度传感器的组装
• 5.3.3 实验条件及方法
• 5.3.4 实验结果
• 5.3.5 实验数据处理与分析
• 5.4 铣刀片前刀面刀-屑接触区的热流密度
• 5.4.1 铣刀片前刀面的平均温度
• 5.4.2 前刀面热流密度的确定
• 5.5 铣刀片表面受热密度函数与温度场数学模型的建立
• 5.5.1 传热学模型的建立
• 5.5.2 受热密度函数与温度场数学模型
• 5.6 铣刀片温度场的有限元分析及模糊综合评判
• 5.6.1 有限元网格模型
• 5.6.2 边界条件加载及温度场分析
• 5.6.3 温度场模糊综合评判
• 5.7 铣刀片粘结破损数学模型的建立
• 5.7.1 铣刀片粘结破损机理
• 5.7.2 铣刀片粘结破损实验
• 5.7.3 铣刀片铣削温度与粘结破损的关系
• 5.8 本章小结
• 第6章 三维复杂槽型铣刀片物理场耦合分析及目标函数的研究
• 6.1 引言
• 6.2 三维复杂槽型铣刀片物理场耦合分析
• 6.2.1 铣刀片应力场和温度场耦合分析
• 6.2.2 耦合场分析结果
• 6.3 铣刀片耦合场模糊综合评判
• 6.4 最小破损为目标优化目标函数的建立及分析
• 6.4.1 优化方法
• 6.4.2 冲击破损最小目标函数的建立
• 6.4.3 粘结破损最小目标函数的建立
• 6.5 目标函数与铣刀片槽型优化
• 6.5.1 一维搜索优化方法
• 6.5.2 目标函数与槽型的优化
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢