基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法，包括如下步骤，基于欧拉梁理论和材料力学弯曲变形，从微元角度分析滚刀主轴受力，建立滚刀主轴作用力平衡方程和力矩平衡方程；通过求解获取滚刀主轴各阶固有频率和滚刀主轴振动关于各加工工艺参数的多元数学函数关系式，对滚齿加工工艺参数进行分类，确定加工齿轮工艺参数与滚刀主轴工艺参数，最后优化加工过程工艺参数。本发明专利技术方法基于振动机理建立的滚刀主轴振动量与各加工工艺参数之间的数学函数关系式，进而分析加工工艺参数对滚齿加工的影响度，获得最优加工工艺参数或者获得满足滚齿机滚刀主轴精度要求的加工工艺参数取值范围，从而减小滚齿加工的振动量与提高加工效率。

【技术实现步骤摘要】
基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法
本专利技术涉及齿轮制造领域，更具体的讲，是一种基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法。
技术介绍
加工工艺参数不仅仅影响加工效率，对滚刀主轴的振动也影响很大。一味的考虑滚齿加工速率而忽视滚齿加工的振动会设置不合理的滚齿加工工艺参数，从而引起滚刀主轴的振动变大，导致滚齿机稳定性和滚齿加工的精度降低。因此研究滚齿加工工艺参数设置以减少滚刀主轴的振动，对滚齿加工工艺人员而言是十分必要的事情。公开号为CN104881530A的专利技术专利《一种基于优化工艺参数的滚齿干切加工方法》对所积累的工艺实例进行优化分组并对工艺实例进行重要性排序，目的在于通过图论和网页排序算法的方式实现滚齿干切工艺参数优化。但是该方法需要一定的滚齿工艺实例积累，且需要花费大量时间整理成与滚齿加工工艺参数相关的优化知识和数据。公开号为CN102331749A的专利技术专利《一种数控加工工艺参数优化方法》将刀具运动路径划分为许多较小的段，加工过程中根据每一段材料切削量动态进给速率，以达到优化工件材料去除率的效果。公开号为CN104076733A的专利技术专利《一种铣削工艺参数优化方法》旨在建立基于切削稳定性和生产率的铣削工艺参数优化模型，其目标在于提高铣削时的切削深度，获得最大生产率。公开号为CN108319223A的专利技术专利《一种面向绿色制造的螺纹车削工艺参数优化方法》从减少碳排放和分层排放的目的出发研究了螺纹车削加工工艺参数优化方法。综上，以上成果对优化滚齿加工工艺参数有着很大的价值。但是上述专利技术很少从滚刀主轴振动原理的角度出发考虑滚齿加工工艺参数的优化问题。并且目前滚齿加工工艺参数的设置多为工艺人员凭借经验或者查阅相关文献来设置，这需花费大量的时间和精力。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于滚齿加工过程中滚刀主轴振动响应数学模型的加工工艺参数优化方法，其目的在于剖析基于振动机理建立的滚刀主轴振动量与各加工工艺参数之间的数学函数关系式，进而分析加工工艺参数对滚齿加工的影响度，获得最优加工工艺参数或者获得满足滚齿机滚刀主轴精度要求的加工工艺参数取值范围，从而减小滚齿加工的振动量与提高加工效率。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立滚刀主轴振动量关于各加工工艺参数的数学函数关系式：基于欧拉梁理论和材料力学弯曲变形，从微元角度分析滚刀主轴受力，建立滚刀主轴作用力平衡方程和力矩平衡方程；通过求解作用力平衡方程和力矩平衡方程获取滚刀主轴各阶固有频率和滚刀主轴振动关于各加工工艺参数的多元数学函数关系式，如下式所示：式中：x(s,t)表示滚刀主轴沿X方向的振动位移；z(s,t)表示滚刀主轴沿Z方向的振动位移；ax(s,t)表示滚刀主轴沿X方向的振动加速度；az(s,t)表示滚刀主轴沿Z方向的振动加速度；A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8所代表含义以及其对应的加工工艺参数影响项如下表所示：S2、对滚齿加工工艺参数进行分类：分析影响滚刀主轴振动量的加工工艺参数，将其分为加工齿轮工艺参数、滚刀主轴工艺参数以及加工过程工艺参数三类；其中加工齿轮工艺参数包含齿轮模数m、齿轮齿数Zw、齿形角αn、齿轮螺旋角βw、工件材料修正系数Km、工件硬度修正系数Kh、螺旋角修正系数Ka；滚刀主轴工艺参数包括滚刀密度ρ、滚刀弹性模量E，滚刀导程角βs，滚刀头数Zd，滚刀长度L和滚刀直径d；加工过程工艺参数包含工作转速v、进给量S和吃刀深度T；S3、确定加工齿轮工艺参数与滚刀主轴工艺参数：将齿轮设计时确定的齿轮工艺要求作为加工齿轮工艺参数，再根据步骤S1中确定的振动关于滚刀主轴工艺参数的数学函数关系式，分析滚刀主轴振动位移与振动加速度角度的变化关系，即A2,A3关于滚刀导程角的变化，如下式所示：基于上述条件从刀库中选取所有适合加工该齿轮的滚刀，然后选取刚度最大的滚刀，使由于滚刀主轴导致的滚刀主轴振动量变为最小，从而确定最优的滚刀主轴工艺参数；S4、优化加工过程工艺参数：滚削加工过程的加工过程工艺参数在滚削过程中应满足以下约束条件：式中：V为滚刀设定转速，Vmin和Vmax分别为滚刀主轴最低转速和最高转速；ω0为滚刀主轴的一阶固有频率；d为滚刀主轴直径；T为滚刀主轴的吃刀深度，Tmin和Tmax分别为滚刀主轴最小吃刀深度和最高吃刀深度，h为齿轮的全齿高；S为滚刀主轴的进给量，Smin和Smax分别为滚刀主轴最小进给量和最高进给量；S5、对步骤S1获取的滚刀主轴振动与加工工艺参数之间的数学函数关系式，分别将各加工过程工艺参数细分为多个微小段，利用MATLAB绘出滚刀主轴转速、吃刀深度、进给量共同作用下的滚刀主轴振动量的四维图，以直观表现振动量与滚刀主轴转速、吃刀深度、进给量的关系；同时将分成的微小段进行组合，绘出每一个组合点对应的滚刀主轴振动量曲线图，在精度要求的条件下确定满足振动要求的所有的参数组合，然后根据最短加工时长要求，在满足要求的组合参数中选取转速最快的那组参数作为加工过程工艺参数的组合。进一步的，在满足要求的组合参数中，若有多组参数的主轴转速相同，且符合主轴转速最快的条件时，选取其中吃刀深度最大的那组参数作为加工过程工艺参数的组合。进一步的，在符合主轴转速最快的组合参数中，若具有多组参数的吃刀深度相同，且符合吃刀深度最大的条件时，则选取其中进给量最大的那组参数作为加工过程工艺参数的组合。综上所述，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术从滚刀主轴振动机理着手，建立滚刀主轴振动位移和振动加速度与多加工工艺参数关联的数学模型。考虑到了滚齿加工过程中的真实情况下多种加工工艺参数的共同影响，相比其他方法而言具有更高的可靠性与准确性。2、本专利技术分析加工工艺参数对滚刀主轴振动量的影响度，进而为减少滚刀主轴振动量设置加工工艺参数优化的优先级。同时也可对比分析加工工艺参数确定之后不同方向的振动量，为齿轮精度要求不同的加工面的摆放位置提供了参考。3、本专利技术建立的滚刀主轴振动与加工工艺参数数学模型可根据设置的加工工艺参数优先级对加工工艺参数进行优化。振动位移反映了滚刀主轴振动的幅度，振动加速度反映了滚刀主轴所受的冲击力的大小，针对不用的加工要求，若加工过程更关注振动幅值，可对对滚刀主轴振动位移数学函数关系式对分级之后的加工工艺参数求偏微分获得最优的加工工艺参数值或者加工工艺参数取值范围。若加工过程更关注冲击力的大小，则可对滚刀主轴振动加速度数学函数关系式求偏微分获得最优的加工工艺参数值。4、本专利技术提出的滚齿加工工艺参数优化方法不需要大量的前期经验积累，相比目前滚齿加工工艺参数设置依赖工艺人员经验的情况，更加方便有效。5、本专利技术提供了一种加工工艺参数优化思路，这不仅仅适用于滚齿加工，对于其他加工形式如车削、铣削，本专利技术提出的通过分析主轴振动来优化加工工艺参数的方法仍然适用。附图说明图1为滚刀受力及滚刀的不同坐标系的示意图。图2为滚刀受力微元分析的受力图。图3为本专利技术实施例一种滚齿加工工艺参数优化方法的实现流程图。图4和图5为本专利技术实施例滚刀主轴振动位移幅值与滚刀主轴转速变化关系。图6和图7为本专利技术实施例滚刀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立滚刀主轴振动量关于各加工工艺参数的数学函数关系式：基于欧拉梁理论和材料力学弯曲变形，从微元角度分析滚刀主轴受力，建立滚刀主轴作用力平衡方程和力矩平衡方程；通过求解作用力平衡方程和力矩平衡方程获取滚刀主轴各阶固有频率和滚刀主轴振动关于各加工工艺参数的多元数学函数关系式，如下式所示：

【技术特征摘要】
1.一种基于滚刀主轴振动响应模型的滚齿工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立滚刀主轴振动量关于各加工工艺参数的数学函数关系式：基于欧拉梁理论和材料力学弯曲变形，从微元角度分析滚刀主轴受力，建立滚刀主轴作用力平衡方程和力矩平衡方程；通过求解作用力平衡方程和力矩平衡方程获取滚刀主轴各阶固有频率和滚刀主轴振动关于各加工工艺参数的多元数学函数关系式，如下式所示：式中：x(s,t)表示滚刀主轴沿X方向的振动位移；z(s,t)表示滚刀主轴沿Z方向的振动位移；ax(s,t)表示滚刀主轴沿X方向的振动加速度；az(s,t)表示滚刀主轴沿Z方向的振动加速度；A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8所代表含义以及其对应的加工工艺参数影响项如下表所示：S2、对滚齿加工工艺参数进行分类：分析影响滚刀主轴振动量的加工工艺参数，将其分为加工齿轮工艺参数、滚刀主轴工艺参数以及加工过程工艺参数三类；其中加工齿轮工艺参数包含齿轮模数m、齿轮齿数Zw、齿形角αn、齿轮螺旋角βw、工件材料修正系数Km、工件硬度修正系数Kh、螺旋角修正系数Ka；滚刀主轴工艺参数包括滚刀密度ρ、滚刀弹性模量E，滚刀导程角βs，滚刀头数Zd，滚刀长度L和滚刀直径d；加工过程工艺参数包含工作转速v、进给量S和吃刀深度T；S3、确定加工齿轮工艺参数与滚刀主轴工艺参数：将齿轮设计时确定的齿轮工艺要求作为加工齿轮工艺参数，再根据步骤S1中确定的振动关于滚刀主轴工艺参数的数学函数关系式，分析滚刀主轴振动位移与振动加速度角度的变化关系，即A2,A3关于滚刀导程角的变化，如下式所示：基于上述条件从刀库中选取所有适合加工该齿轮的滚刀，然后选取刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涵，鄢萍，罗倩倩，赵桢，陈青荣，裴洁，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50