一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法，首先，根据干切滚齿机床的几何结构和空间布局特征，建立切屑安息角的数学表征模型；其次，结合干切滚齿机床的工作台结构特征和切屑的流动规律，确定安息角模型的特征参量；然后，以工作台的热积聚最小化为控制目标，以工作台的顶端调节距离和底部调节距离为调控变量，以工作台与其外罩的间隙以及工作台外罩与机床内挡板的间距为约束条件，建立干切滚齿机床的切屑安息角优化模型；最后，利用遗传算法，在调控变量的取值范围内，对切屑安息角优化模型进行求解，获得最优切屑安息角。本发明专利技术能有效减少高温切屑在工作台上的积聚和滞留时长，从而降低工作台热变形，最终提高齿轮加工精度。高齿轮加工精度。高齿轮加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法


[0001]本专利技术涉及金属切削加工机床
，特别是涉及一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法。

技术介绍

[0002]干切滚齿机床是一种绿色先进的齿轮加工机床，具有生产效率高、单件成本低、环境污染小等优点。但在其运行过程中，由于滚刀和工件做高转速滚切运动，加之没有切削油的冷却润滑，使得滚刀、工件、切屑的温度上升较快。在干切滚齿加工中，切屑是最主要的切削热传递介质，可带走八成以上的切削热。因此，快速将切屑排出到机床外部，是降低干切滚齿机床热变形的重要措施。
[0003]在排屑过程中，切屑首先会脱离切削接触区，然后在重力和摩擦力的作用下向工作台的外罩坠落，最后在外罩上滑动并进入排屑器。如果切屑安息角(工作台外罩斜面与工作台水平面之间的夹角)不恰当，则不利于快速排屑，容易导致切屑在工作台堆积。不断堆积的高温切屑持续地向工作台传递热量，过度的热量积聚势必造成工作台受热变形，最终影响齿轮加工精度。
[0004]然而，现有干切滚齿机床的切屑安息角通常凭借主观经验进行设计，缺少一种系统地量化设计方法，特别是没有考虑工作台最少热量积聚的切屑安息角优化设计方法。因此，如何通过切屑安息角的优化设计，减少高温切屑在工作台上的积聚和滞留时长，从而降低工作台热变形是本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法，通过切屑安息角的优化设计，减少高温切屑在工作台上的积聚和滞留时长，从而降低工作台热变形的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法，包括：
[0008]S1、建立切屑安息角的数学模型，具体根据干切滚齿机床的几何结构和空间布局特征，建立切屑安息角的数学表征模型；
[0009]S2、确定安息角模型的特征参量，具体结合干切滚齿机床的工作台结构特征和切屑的流动规律，确定切屑的坠落时间、切屑的滞留时间、切屑与工作台的接触区域；
[0010]S3、建立切屑安息角的优化模型，具体以工作台的热积聚最小化为控制目标，以工作台的顶端调节距离和底部调节距离为调控变量，以工作台与其外罩的间隙以及工作台外罩与机床内挡板的间距为约束条件，建立干切滚齿机床的切屑安息角优化模型；
[0011]S4、确定最优的切屑安息角，具体利用智能算法，在调控变量的取值范围内，对切屑安息角优化模型进行求解，获得最优切屑安息角。
[0012]进一步，所述步骤S1所建立的切屑安息角α的数学模型如下：
[0013][0014]式中，x
t
为顶端调节距离：即工作台外罩上端在原始位置上的水平移动距离；x
b
为底部调节距离：即工作台外罩下端在原始位置上的水平移动距离；h2为工作台下段的高度；R
t
、R
b
分别为工作台外罩上、下端离工作台中心轴的距离；
[0015]优选地，所述步骤S2中，切屑的坠落时间t
f
：即切屑脱离工件到刚好要接触工作台外罩时所用的时间表达如下：
[0016][0017]式中，h为工件的齿全高，d
a
为工件外径，V
0x
，V
0z
分别为切屑初速度在水平和竖直方向的分量，V
0x
＝V0cosγ，V
0z
＝V0sinγ；V0为切屑坠落的初速度，V0＝πn
h
r
h
/30；g为重力加速度；μ为工作台外罩的表面摩擦系数；h1为工作台上段的高度；n
h
为滚刀转速；r
h
为滚刀半径；γ为切屑的流屑角。
[0018]进一步，所述步骤S2中，切屑的滞留时间t
r
：即切屑接触工作台外罩以后在其表面滚落所用的时间表达如下：
[0019][0020]式中，V为切屑接触工作台外罩的瞬间沿斜面方向的速度大小，V＝V
0x
cosα+(V
0z
+gt
f
)sinα；
[0021]所述步骤S2中，切屑与工作台的接触区域由滚刀与工件的接触长度l
w
以及切屑在工作台外罩上的滚落长度l
r
共同确定，其中：
[0022][0023][0024]进一步，所述步骤S3包括：
[0025]S31，建立切屑安息角优化设计的目标函数，即：
[0026][0027]式中，n为加工单个齿轮生成的切屑数量；k为机床在一个加工时段内加工齿轮的数量；ε为工作台外罩的导热率；w为切屑与工作台外罩的接触宽度；T
c
为切屑温度；T
s
为工作台外罩的温度；δ为工作台外罩的厚度；
[0028]S32，确定约束条件，具体考虑到金属材料的各项传热属性通常比空气强，工作台外罩不宜与工作台直接接触，以最大程度减少工作台上的热积聚，从而应使工作台外罩与其内部结构保留一定距离l1，即：
[0029]h3x
t
+(h2‑
h3)x
b
≥(R
b
‑
R
t
)h3+(R2+l1‑
R
b
)h2[0030]式中，R2为干切滚齿机床工作台结构参数；
[0031]为确保干切滚齿机床工作台外罩能对切屑流起到导向作用，使切屑快速从机床内部排出，调控变量x
t
的取值范围如下式：
[0032]R1‑
R
t
≤x
t
≤l
t
+R1‑
R
t
[0033]式中，R1为干切滚齿机床工作台结构参数；
[0034]为保证切屑不会冲击到机床内挡板上，内挡板主要用于阻止切削热向机床其他零部件传递，即外罩与内挡板的距离应大于零，从而调控变量x
b
的取值范围如下式：
[0035][0036]式中，h3为干切滚齿机床工作台结构参数；
[0037]S33，建立所述切屑安息角的优化模型，即：
[0038]F(x
t
,x
b
)＝inQ
total
[0039][0040]进一步，所述步骤S4包括：
[0041]S41，确定调控变量的取值范围，具体根据干切滚齿机床工作台的结构参数，确定调控变量的取值范围；
[0042]S42，寻获最优调控参数，具体利用遗传算法，求解获得满足优化目标函数的最优调控参数；
[0043]S43，确定最优切屑安息角，具体将所述最优调控变量代入切屑安息角的数学表征模型，获得最优切屑安息角。
[0044]相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0045]1、本专利技术建立一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法，其特征在于，包括：S1、建立切屑安息角的数学模型，具体根据干切滚齿机床的几何结构和空间布局特征，建立切屑安息角的数学表征模型；S2、确定安息角模型的特征参量，具体结合干切滚齿机床的工作台结构特征和切屑的流动规律，确定切屑的坠落时间、切屑的滞留时间、切屑与工作台的接触区域；S3、建立切屑安息角的优化模型，具体以工作台的热积聚最小化为控制目标，以工作台的顶端调节距离和底部调节距离为调控变量，以工作台与其外罩的间隙以及工作台外罩与机床内挡板的间距为约束条件，建立干切滚齿机床的切屑安息角优化模型；S4、确定最优的切屑安息角，具体利用智能算法，在调控变量的取值范围内，对切屑安息角优化模型进行求解，获得最优切屑安息角。2.如权利要求1所述的干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1所建立的切屑安息角α的数学模型如下：式中，x
t
为顶端调节距离：即工作台外罩上端在原始位置上的水平移动距离；x
b
为底部调节距离：即工作台外罩下端在原始位置上的水平移动距离；h2为工作台下段的高度；R
t
、R
b
分别为工作台外罩上、下端离工作台中心轴的距离；优选地，所述步骤S2中，切屑的坠落时间t
f
：即切屑脱离工件到刚好要接触工作台外罩时所用的时间表达如下：式中，h为工件的齿全高，d
a
为工件外径，V
0x
，V
0z
分别为切屑初速度在水平和竖直方向的分量，V
0x
＝V0cosγ，V
0z
＝V0sinγ；V0为切屑坠落的初速度，V0＝πn
h
r
h
/30；g为重力加速度；μ为工作台外罩的表面摩擦系数；h1为工作台上段的高度；n
h
为滚刀转速；r
h
为滚刀半径；γ为切屑的流屑角。3.如权利要求1所述的干切滚齿机床的切屑安息角优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，切屑的滞留时间t
r
：即切屑接触工作台外罩以后在其表面滚落所用的时间表达如下：式中，V为切屑接触工作台外罩的瞬间沿斜面方向的速度大小，V＝V
0x
cosα+(V
0z
+gt
f
)sinα；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨潇，李博，杜彦斌，何浪，陈鹏，
申请(专利权)人：重庆工商大学，
类型：发明
国别省市：