一种基于温度-力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于温度

【技术实现步骤摘要】
一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法


[0001]本专利技术涉及拉削刀具冷却性能
，特别涉及一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法。
技术背景
[0002]目前对于像航天航空、能源模具、汽车以及国防军工等领域的加工制造技术的要求越来越高，对于工件成型表面的精度的要求也随之提升。拉削作为一种高效、高精度的的成型加工工艺，广泛运用于上述各领域。但拉刀拉削过程中，广泛存在切削温度高的现象，使工件表面精度的提升受阻。进而出现了像微量润滑拉削、喷雾冷却拉削以及低温风冷冷却拉削技术来降低拉削过程中的切削热。但是全球环保意识不断加强，环保立法日益严格的趋势下，上述的方法还具有相应的缺陷，故须聚焦于“绿色“的干切削。干拉削过程中如何高效快速的散热是保证刀具寿命以及工件成型质量以及表面完整性的重要问题。
[0003]对于目前现存的微量润滑切削、喷雾冷却润滑切削、水蒸气冷却切削、固体润滑剂冷却切削以及液氮冷却切削冷却技术，对于绿色制造理念还具有局限性，故须进一步发展干切削。为了更好的达到换热散热的目的，本专利技术针对拉刀加工中，拉刀的单个刀齿进行简化分析。先进性热力耦合拉削仿真，来获取刀齿加工后表面温度数据。再将该温度数据作为刀具拓扑优化的边界条件，设定刀具体积减少百分比，在保证刀具刚度的同时，使刀具的体积减小，从而实现刀具换热、散热能力的增强的效果。再将优化后的刀具进行热力耦合切削仿真，来获取拓扑优化刀具拉削仿真后刀齿受力信息。再将该受力数据作为第二次拓扑优化的边界条件，设定刀具体积减少百分比，在保证刀具刚度和散热能力的同时，优化刀具结构，减轻刀具重量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对目前干拉削的散热效果差，拉刀重量大，刀具冷却效果不好的问题，提供了一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法。本专利技术是一种通过刀具的拓扑优化来实现拉削过程中，拉刀散热效果以及重量优化的效果的方法；是一种先进行热力耦合切削仿真，来获取拉刀切削过程中，刀齿表面“热”、“力”信息，再将该“热”、“力”信息作为刀具拓扑优化的边界条件，实现刀具结构优化的方法；是一种将整把拉刀简化成单个刀齿进行分析来减小计算量的方法。
[0005]本专利技术提供的一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、构建单齿拉刀热力耦合仿真模型。单齿拉刀热力耦合仿真模型包括工件模型，以及能够切削工件模型的单齿拉刀模型。
[0007]步骤二、对单齿拉刀热力耦合仿真模型进行有限元仿真，所得仿真结果包括切削完成时的拉刀表面温度分布信息、切削过程中的拉刀表面受力信息。
[0008]步骤三、对单齿拉刀模型进行拓扑优化。
[0009]步骤3
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1.基于单齿拉刀模型，建立拓扑优化模型。
[0010]步骤3
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2.设定边界条件。将步骤二中所获取的拉刀表面温度分布信息和拉刀表面受力信息，作为拓扑优化仿真模型的初始边界条件。
[0011]步骤3
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3.进行分析步设定，将加载区域和边界条件区域冻结。以拉刀表面的温度分布和受力的目标，以拉刀的体积为约束，进行拓扑优化，得到优化后的具有凹槽结构的单齿拉刀模型。
[0012]作为优选，所述的单齿拉刀模型和工件模型在仿真中相接触的区域采用细小网格，而其余区域采用粗网格。
[0013]作为优选，步骤一的的具体过程如下：
[0014]步骤1
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1.构建单齿拉刀模型和工件模型，并设定边界条件、材料参数和接触模型。
[0015]步骤1
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2.对单齿拉刀模型和工件模型进行网格划分；
[0016]步骤1
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3.对划分好的网格的单齿拉刀模型和工件模型进行装配、定位。
[0017]步骤1
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4.设定单齿拉刀模型与工件模型之间的摩擦系数和运动约束。
[0018]作为优选，所述的单齿拉刀模型和工件模型的初始温度设置为20℃。
[0019]作为优选，步骤一中，设定单齿拉刀热力耦合仿真模型的边界条件和接触条件；边界条件为：设定单齿拉刀模型固定六个方向的自由度，工件模型设置X方向的位移约束；接触条件为：设定单齿拉刀模型与工件模型之间的摩擦系数设定为0.24。
[0020]作为优选，步骤一中，单齿拉刀模型设置为刚体。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]1、本专利技术基于拉刀的温度分布和受力仿真信息，对拉刀刀齿进行拓扑优化，得到表面具有凹槽结构，且温度分布和受力依然符合要求的拉刀刀齿；拉刀刀齿上凹槽结构一方面能够促进拉刀的轻量化，另一方面能够提高提高拉刀的散热效果。
[0023]2、本专利技术在拉刀表面形成不影响温度分布和受力的凹槽结构，该凹槽结构能够增大拉刀的散热面积，并促进达到表面的空气流动，有助于促进拉刀的干切散热，降低或省去拉刀冷却液的使用。
[0024]3、本专利技术采用有限元软件，实现刀具切削和拓扑优化的操作，不需要进行实验，降低了拉刀结构优化的成本。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的流程图；
[0026]图2为本专利技术单齿拉刀热力耦合仿真模型的示意图；
[0027]图3为本专利技术步骤S1中单齿拉刀热力耦合仿真模型的网格划分图示意图；
[0028]图4为本专利技术步骤S3中拓扑优化网格模型的示意图；
[0029]图5为本专利技术优化得到的具有凹槽结构的拉刀刀齿结构示意图。
[0030]附图标记：1
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单齿拉刀模型；2
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工件模型；3
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拓扑优化单齿拉刀模型；4
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拓扑优化刀具模型；5
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工件模型；6
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二次拓扑优化单齿拉刀模型。
具体实施方式
[0031]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032]如图1所示，一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法，用于优化拉刀的散热换热能力及重量，其包括以下步骤：
[0033]步骤S1、如图2和3所示，构建单齿拉刀热力耦合仿真模型，并进行网格划分、装配定位、参数设定操作，具体过程如下：
[0034]S11.根据实际尺寸建立多齿拉刀和工件模型。为了简化仿真计算量以及加快仿真进程，截取多齿拉刀中的任意一个刀齿进行分析研究，得到单齿拉刀热力耦合仿真模型。如图2所示，单齿拉刀热力耦合仿真模型包括单齿拉刀模型1和工件模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、构建单齿拉刀热力耦合仿真模型；单齿拉刀热力耦合仿真模型包括工件模型(2)，以及能够切削工件模型(2)的单齿拉刀模型(1)；步骤二、对单齿拉刀热力耦合仿真模型进行有限元仿真，所得仿真结果包括切削完成时的拉刀表面温度分布信息、切削过程中的拉刀表面受力信息；步骤三、对单齿拉刀模型进行拓扑优化；步骤3
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1.基于单齿拉刀模型(1)，建立拓扑优化模型；步骤3
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2.设定边界条件；将步骤二中所获取的拉刀表面温度分布信息和拉刀表面受力信息，作为拓扑优化仿真模型的初始边界条件；步骤3
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3.进行分析步设定，将加载区域和边界条件区域冻结；以拉刀表面的温度分布和受力的目标，以拉刀的体积为约束，进行拓扑优化，得到优化后的具有凹槽结构的单齿拉刀模型(1)。2.根据权利要求1所述的一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优化方法，其特征在于：所述的单齿拉刀模型(1)和工件模型(2)在仿真中相接触的区域采用细小网格，而其余区域采用粗网格。3.根据权利要求1所述的一种基于温度
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力联合拓扑优化的拉刀结构优...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙臻，苏忠跃，倪敬，何勤松，郁爱佳，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：