枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构方法与流程

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构方法，用于加工重型燃气轮机的轮盘榫槽的组合拉刀枞树型齿廓的刃口型线重构和构建拉削载荷沿刃口廓形的空间分布。
背景技术：
：重型燃气轮机压气轮盘和透平涡轮盘的榫槽拉削加工是燃气轮机制造中关键质量控制工序，其加工质量直接影响轮盘承受复杂热力交变工作载荷的能力。综合考虑榫槽型线尺寸、拉削负载及拉床工作行程等因素，重型燃气轮机的轮盘榫槽通常加工采用组合拉刀。精加工采用逼近枞树型线的曲线刃拉刀，以轮切分块方式或同廓分层的方式去除材料。由于透平涡轮盘的枞树型榫槽型线复杂、尺寸精度和加工表面质量要求高，给榫槽拉刀国产化带来了极大的挑战。对于榫槽拉削这类成形加工工艺，拉刀精准设计是保证榫槽廓形精度的关键手段。精拉刀多为曲线刃口，且齿廓曲线为高阶曲线。拉削载荷具有沿轮廓曲线空间分布的特点，不易直接建立拉削力预测模型。因此曲线刃口拉刀的拉削力空间分布建模，即确定刀具刃口拉削载荷分布特点，是拉刀刃口精准化设计所需的计算依据。技术实现要素：本发明针对现有重型燃机涡轮盘枞树型榫槽精拉刀切削力建模的缺陷，提出一种枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构方法。本发明是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构方法，基于重型燃气轮机涡轮盘枞树型榫槽精拉刀齿廓曲线拟合方程，建立单齿枞树型榫槽曲线刃精拉刀的切削力模型；然后通过对齿廓高阶曲线离散化处理并拟合斜角切削力系数，再经重构获得枞树型齿廓精拉刀的切削力载荷在曲线刃口的空间分布。所述方法具体步骤包括：步骤1：基于坐标变换，将枞树型榫槽曲线上的点在枞树型榫槽所在平面坐标系内坐标转化为刀具前刀面所在平面坐标系的坐标，得到刃口曲线离散点的坐标。步骤2：基于离散点坐标，采用b样条曲线对枞树型齿廓高阶曲线进行拟合。步骤3：将第k个刀齿的刃口曲线划分为n段微元。步骤4：根据拟合得到的切削刃曲线，对微元进行线积分，得到切削刃接触微元弧长。同样根据拟合得到相邻两齿的切削刃曲线，对微元进行面积分，得到切削层面积。通过求解切削刃曲线的导数得到微元的斜率，从而获得微元刃口的倾角。步骤5：根据单齿斜角切削原理，建立斜角切削力三个分量方程。进行单齿切削实验，根据切削力测量值进行线性回归，拟合得到切削力系数。步骤6：根据步骤4获得的切削层面积和切削刃接触弧长以及步骤5获得的斜角切削力系数，积分后得到刃口微元的三个切削力分量，从而重构出枞树型齿廓精拉刀的切削载荷在曲线刃口的空间分布。附图说明图1为本发明的枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构流程图；图2为本发明的拉削刃口的曲线映射示意图；图3为本发明的某型号透平轮盘的枞树型榫槽型线与拉刀齿廓型线点映射图；图4为本发明的枞树型齿廓数据点、控制点及b样条曲线示意图；图5为本发明的拉刀第k个刀齿曲线离散化示意图；图6为本发明的拉刀相邻刀齿截面齿形和所夹的切削层面积示意图；图7为本发明的斜角拉削切削力分力示意图；图8为本发明的榫槽单齿整刃口拉削载荷沿刃口廓形空间分布示意图。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及一种枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构方法，根据枞树型榫槽型线，通过坐标旋转变换得到精拉刀刃口曲线离散点坐标，采用b样条曲线对枞树型齿廓高阶曲线进行拟合，对刃口曲线进行离散化，得到刃口微元，计算切削层面积、切削刃接触弧长和刃口倾角，基于实验数据拟合斜角切削力系数，最后通过积分求解并重构获得枞树型精拉刀齿廓微元齿切削力的空间分布。本实施例具体步骤包括：步骤1、如图2所示，建立枞树型榫槽型线与精拉刀刃口曲线离散坐标的映射，具体为：将待加工的枞树型榫槽外轮廓任意一点在枞树型榫槽所在平面坐标系内的坐标为q(x,y,z)通过坐标旋转变换转换到拉刀前刀面内，得到刀具轮廓刃口曲线上对应的点坐标为d(x,y,z)，其中：γ为刀具前角。如下表所示，以某型号透平涡轮盘第三级枞树型榫槽为例，刀具前角为20°，经过映射之后获得枞树型精拉刀轮廓线如图3所示。nxnynnxnyn0001221.190111.278310.13473.28021323.13169.808920.53316.50881425.12299.388531.18499.66391528.087710.425841.576513.84141629.891413.597752.911616.72891730.744818.581065.030518.99391831.599223.540877.603520.36961933.226827.8889810.860720.86722036.312529.1318913.014320.22722138.539728.49721014.806718.65132240.258026.93311117.998414.9653步骤2、基于刀刃离散坐标点进行参数化建模，采用b样条曲线对枞树型齿廓高阶曲线进行拟合，具体为：如图4所示，采用(n+1)个控制点(p0，p1，…，pi，…，pn)与(n+1)个数据点(d0，d1，…，di，…，dn)进行b样条曲线拟合，得到：拉刀刃口轮廓曲线其中：s(u)为b样条曲线，(pi)为控制点，使用递归算法计算控制点(pi)对应的b样条基函数其中：(ui)为矢量[u0，um]的b样条结点；引入参数(tk)进行转化处理，每个参数(tk)对应插入的数据点数据点和控制点通过同样的方法表示：基函数离散数据点控制点且满足方程d＝n×p，进而得出枞树型刃口曲线的b样条拟合曲线s(u)。步骤3：如图5所示，齿廓高阶曲线离散化处理，具体为：组合拉刀由n1组拉刀组成，每组拉刀由n2个刀段，每个刀段共有n3个刀齿，刀齿编号为k(k＝1,2,3,……,n3)，第k个刀齿离散化为微元，每个微元编号为n(n＝1,2,3,……,n)，拟合样条曲线节点为n+1个，相当于将第k个刀齿曲线刃口划分为n段微元，每个关键节点用n(n＝1,2,3,……,n)表示。步骤4：计算第k个刀齿的微元刃口的切削刃接触弧长切削层面积和刃口倾角如图6所示，相邻齿廓投影线不交叉，因此将一条刃口曲线投影到另一个刃口曲线所在平面内。通过将同一平面内的两条曲线函数进行积分处理，求得两条曲线之间的面积，即得到切削层面积。所述的两条曲线函数，通过b样条函数表达为：其中：s1(u)和s2(u)分别表示两条曲线的b样条函数；x、y、z分别代表沿x、y、z轴方向的分量。所述的切削刃接触弧长通过对刃口曲线进行离散化处理，将第k个刀齿曲线刃口划分为n段微元，通过微元弧长计算，得出每段微元刃口的刃长为所述的切削层面积通过相邻两齿的拟合两条样条曲线叠加每个微元面积。计算得到相邻刀齿所夹切削层面积为：第n段微元面积为：所述的刃口倾角通过求解该段微元刃口的斜率，获得该段微元刃口的倾角步骤5：拟合斜角切削力系数：如图7所示，为单齿斜角拉削剪切面和前刀面上的分力示意图，当忽略摩擦力分量时，斜角切削力三个方向分力用切削力系数表达为：其中：ac为切削层面积，kxc、kyc、kzc代表切削力系数，具体为：其中：vc为切削速度，tc为切削层厚度(齿升量)，λ为刃倾角。所述的切削力系数通过拟合得到，具体为：进行单齿切削实验。采用宽度15mm，前角为20°，后角为3°的单齿刀具。工件为x12crmowvnbn1011耐热合金。切削时刀具调整不同切削方向得到不同角度倾角。采用干切削，切削速度为10m/min。采用kistler9272测力仪测量切削力。实验中刃倾角λ＝0°、10°、20°、30°、40°、50°，齿升量tc＝0.04、0.08、0.12、0.16mm。有效切削宽度为6mm。根据切削力测量值进行线性回归，拟合得到切削力系数，进一步得到上述斜角切削力系数回归方程为：步骤6：积分求解并重构获得微元齿切削力：当忽略摩擦分量时，第k个刀齿的切削力为：其中：kxc、kyc、kzc为步骤5获得的切削力系数；为步骤4获得的切削层面积。经过具体实际实验，在拉削速度为10m/min，前角为20°，齿升量为0.04mm的工况时，根据步骤2获得的精拉刀刃口曲线，可以重构出图8所示的单齿整刃口载荷分布图。本方法可以实现快速准确的枞树型齿廓精拉刀的切削载荷空间重构，为枞树型齿廓精拉刀设计提供支持。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。当前第1页12