一种干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控方法

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN201711217989.1 

申 请 日：20171128 

发 明 人：曹华军李本杰杨潇陈二恒曾丹 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号 

公 开 日：20180515 

公 开 号：CN201711217989.1 

代 理 人：王翔 

代理机构：重庆大学专利中心 50201 

摘　　要：本发明公开了一种干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控方法，主要包括以下步骤：1)建立干切数控滚齿机床切削空间热量累积模型和热平衡模型。2)干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控。3)对所述干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控模型进行求解，即获得当T_space?T₁最小时，滚刀转速n_h、滚刀轴向进给量f_a、低温压缩空气温度T_com、空气换流装置排气量V_exh的值。4)利用优化后获得的滚刀转速n_h、滚刀轴向进给量f_a、低温压缩空气温度T_com和空气换流装置排气量V_exh进行干切滚齿加工。 

主 权 项：一种干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)建立干切数控滚齿机床切削空间热量累积模型和热平衡模型；主要步骤如下：1.1)根据能量守恒定律，建立干切数控滚齿机床切削空间在加工过程中的热量累积模型；热量累积模型表示如下：Q_accum＝Q_cut?(Q_chip+Q_workpiece+W_comair+Q_exhair+Q_tel)。??(1)式中，Q_accum为所述切削空间累积的热量；Q_cut为切削空间内生成的切削热；Q_chip为切屑离开切削空间时带走的热量；Q_workpiece为工件移出切削空间时带走的热量；Q_comair为压缩空气换热时交换的热量；Q_exhair为空气换流装置排气时带走的热量；Q_tel为机床与切削空间换热时的热量；1.2)t时间内，干切数控滚齿机床切削空间产生的总切削热如下所示：$Q_{cut}=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left[\left(e_{sce}{h}_{chip}^{-\mu }\right){\mathrm{Vol}}_{chip}\right];---\left(2\right)$式中，K为已加工工件的总量；i为任一件已加工工件；e_sce为材料的切削比能；h_chip为无量纲常数，在数值上等于一个已加工工件产生切屑的平均厚度；μ为切削比能修正系数；Vol_chip为一个已加工工件产生的切屑体积；1.3)计算干切数控机床切削空间散失的热量，主要步骤如下：1.3.1)计算切屑带走的热量Q_chip，如下所示：$Q_{chip}=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(R_{chip}{e}_{sce}{\mathrm{Vol}}_{chip}{h}_{chip}^{-\mu }\right);---\left(3\right)$式中，R_chip为切屑热量分配系数；K为已加工工件的总量；i为任一件已加工工件；e_sce为材料的切削比能；h_chip为无量纲常数，在数值上等于一个已加工工件产生切屑的平均厚度；μ为切削比能修正系数；Vol_chip为一个已加工工件产生的切屑体积；1.3.2)计算已加工工件带走的热量Q_workpiece，如下所示：$Q_{workpiece}=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(R_{workpiece}{e}_{sce}{\mathrm{Vol}}_{chip}{h}_{chip}^{-\mu }\right);---\left(4\right)$式中：R_workpiece为工件热量分配系数；K为已加工工件的总量；i为任一件已加工工件；e_sce为材料的切削比能；h_chip为无量纲常数，在数值上等于一个已加工工件产生切屑的平均厚度；μ为切削比能修正系数；Vol_chip为一个已加工工件产生的切屑体积；1.3.3)空气带走的热量主要有两类，一类是压缩空气和切削空间之间的对流换热Q_comair，另一类是空气换流装置换气时排出的热量Q_exhair；压缩空气和切削空间之间的对流换热Q_comair如下所示：$Q_{comair}={\int }_0^t{\rho }_{comair}{V}_{comair}{C}_{air}\left(T_{space}-T_{com}\right)dt;---\left(5\right)$式中，V_comair为压缩空气的体积流量；ρ_comiar为压缩空气密度；C_air为空气的比热容；T_space为切削空间的平均温度；T_com为低温压缩空气的温度；t为时间；空气换流装置换气时排出的热量Q_exhair如下所示：$Q_{exhair}={\int }_0^t{\rho }_{air}{V}_{exh}{C}_{air}\left(T_{space}-T_1\right)dt;---\left(6\right)$式中，ρ_air为常压空气密度；C_air为空气的比热容；T_space为切削空间的平均温度；T₁为车间环境温度；V_exh为空气换流装置的排气量；t为时间；1.3.4)机床和切削空间换热带走的热量Q_tel如下所示：Q_tel＝Q_hcl+Q_hrl；??(7)式中，Q_hcl为机床与切削空间之间热传导的热量；Q_hrl为机床与切削空间之间热辐射的热量；机床与切削空间之间热传导的热量Q_hcl如下所示：$Q_{hcl}={\int }_0^t{k}_{\mathrm{cov}er}{A}_{area}\frac{\left(T_{space}-T_{machine}\right)}{L_{\mathrm{cov}er}}dt;---\left(8\right)$式中，k_cover为切削空间防护罩的热导率；A_area为机床与切削空间防护罩之间的换热面积；T_space为切削空间的平均温度；T_machine为机床平均温度；t为时间；L_cover为切削空间防护罩的厚度；机床与切削空间之间热辐射的热量Q_hrl如下所示：$Q_{hrl}={\int }_0^t{ϵ}_{mac}{\mathrm{\sigma A}}_{area}{\left(T_{space}-T_{machine}\right)}^{4}dt;---\left(9\right)$式中：ε_mac为机床切削空间防护罩表面的发射率；σ为斯特藩—玻尔兹曼常数，其值为5.67×10^?8W/(m²·℃⁴)；A_area为机床与切削空间防护罩之间的换热面积；T_space为切削空间的平均温度；T_machine为机床平均温度；t为时间；1.4)建立干切数控滚齿机床切削空间热平衡模型；t时间内干切数控滚齿机床切削空间的热量累积可由下式计算：$\begin{array}{c}{Q}_{accum}=Q_{cut}-\left(Q_{chip}+Q_{workpiece}+Q_{comair}+Q_{exhair}+Q_{tel}\right)\\ =\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{e}_{sce}{h}_{chip}^{-\mu }{\mathrm{Vol}}_{chip}-\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(R_{chip}{e}_{sce}{\mathrm{Vol}}_{chip}{h}_{chip}^{-\mu }\right)-\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(R_{workpiece}{e}_{sce}{\mathrm{Vol}}_{chip}{h}_{chip}^{-\mu }\right)\\ -{\int }_0^t{\rho }_{comair}{V}_{comair}{C}_{air}\left(T_{space}-T_{com}\right)dt-{\int }_0^t{\rho }_{air}{V}_{exh}{C}_{air}\left(T_{space}-T_1\right)dt\\ -{\int }_0^t{k}_{\mathrm{cov}er}{A}_{area}\frac{\left(T_{space}-T_{machine}\right)}{L_{\mathrm{cov}er}}dt-{\int }_0^t{\mathrm{\sigma ϵ}}_{mac}{A}_{area}{\left(T_{space}-T_{machine}\right)}^{4}dt\end{array}\right]\end{array};---\left(10\right)$式中，Q_accum为切削空间累积的热量；Q_cut为切削空间内生成的切削热；Q_chip为切屑离开切削空间时带走的热量；Q_workpiece为工件移出切削空间时带走的热量；Q_comair为压缩空气换热时交换的热量；Q_exhair为空气换流装置排气时带走的热量；Q_tel为机床与切削空间换热时的热量；K为已加工工件的总量；i为任一件已加工工件；e_sce为材料的切削比能；h_chip为无量纲常数，在数值上等于一个已加工工件产生切屑的平均厚度；μ为切削比能修正系数；Vol_chip为一个工件产生切屑的体积；R_chip为切屑热量分配系数；R_workpiece为工件热量分配系数；V_comair为压缩空气的体积流量；ρ_comiar为压缩空气密度；C_air为空气的比热容；T_space为切削空间的平均温度；T_com为低温压缩空气的温度；t为时间；ρ_air为常压空气密度；T₁为车间环境温度；V_exh为空气换流装置的排气量；k_cover为切削空间防护罩的热导率；A_area为机床与切削空间防护罩之间的换热面积；T_machine为机床平均温度；L_cover为切削空间防护罩的厚度；ε_mac为机床切削空间防护罩表面的发射率；σ为斯特藩—玻尔兹曼常数，其值为5.67×10^?8W/(m²·℃⁴)；当干切数控滚齿机床切削空间达到热平衡后，热平衡模型可表达为：$\frac{{\mathrm{dQ}}_{accum}}{dt}=0;---\left(11\right)$式中，Qaccum为切削空间累积的热量；t为时间；2)干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控；主要步骤如下：2.1)将干切数控滚齿机床切削空间温升作为优化调控目标；2.2)在干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控中，设定滚刀转速n_h、滚刀轴向进给量f_a、压缩空气温度T_com和空气换流装置排气量V_exh四个参数为优化调控变量；2.3)建立干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控参数约束条件；2.3.1)滚刀转速约束条件如下所示：n_h,min≤n_h≤n_h,max；??(12)式中，n_h,min为滚刀最低转速；n_h,max为滚刀最高转速；n_h为滚刀转速；根据最大切削力、最大工件切屑厚度和最大主轴电机功率，滚刀最高转速表示如下：n_h,max＝1000ηP_maxh_c,max/(πD_hA_clk_c)；??(13)式中，η为主轴电机功率传递效率系数；P_max为主轴电机最大功率；h_c,max为最大切屑厚度；D_h为滚刀外径；A_cl为切削层面积；k_c为比切削力；2.3.2)根据Hoffmeister经验公式，滚刀轴向进给约束条件如下所示：f_a,min≤f_a≤f_a,max；??(14)式中，f_a,min为滚刀最大轴向进给量；f_a,max为滚刀最小轴向进给量；f_a为滚刀轴向进给量；2.3.3)低温压缩空气温度约束条件如下所示：T_com,min≤T_com≤T_com,max；??(15)式中，T_com,min为低温压缩空气最低温度值；T_com,max为低温压缩空气最高温度值；T_com为低温压缩空气温度值；2.3.4)空气换流装置排气量约束条件如下所示：V_exh≤V_exh,max；??(16)式中，V_exh,max为空气换流装置最大排气量；V_exh为空气换流装置排气量；2.3.5)切屑载热效率约束条件如下所示：${\eta }_{chip}\to {\eta }_{chip}^{\max };---\left(17\right)$式中，为最大切屑载热效率，即切屑载热量与排屑时间的比值；η_chip为切屑载热效率；切屑载热效率η_chip如下所示：${\eta }_{chip}=R_{chip}{e}_{sce}{h}_{chip}^{-\mu }{\mathrm{Vol}}_{chip}/t_{cut};---\left(18\right)$式中，t_cut为一个工件加工的切削时间；排屑时间在数值上等于切削时间；R_chip为切屑热量分配系数；e_sce为材料的切削比能；h_chip为无量纲常数，在数值上等于一个已加工工件产生切屑的平均厚度；μ为切削比能修正系数；Vol_chip为一个工件产生切屑的体积；2.4)得出干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控模型；2.4.1)干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控模型如下式所示：$F\left(n_h,f_a,T_{com},V_{exh}\right)=\min \left(T_{space}-T_1\right);---\left(19\right)$式中，n_h为滚刀转速；f_a为滚刀轴向进给量；T_co_m为低温压缩空气的温度；V_exh为空气换流装置的排气量；T_space为切削空间的平均温度；T₁为车间环境温度；2.4.2)热平衡时切削空间平均温度如下所示：$\begin{array}{c}{T}_{space}=\frac{\left(1-R_{chip}-R_{workpiece}\right)e_{sce}{\mathrm{Vol}}_{chip}{h}_{chip}^{-\mu }}{\left(t_{cut}+t_{aux}\right)\left(C_{air}{\rho }_{comair}{V}_{comair}+C_{air}{\rho }_{air}{V}_{exh}+k_{\mathrm{cov}er}{A}_{area}/L_{\mathrm{cov}er}\right)}\\ +\frac{{\rho }_{comair}{V}_{comari}{C}_{air}{T}_{com}+{\rho }_{air}{V}_{exh}{C}_{air}{T}_1+k_{\mathrm{cov}er}{A}_{area}{T}_{machine}/L_{\mathrm{cov}er}}{{\rho }_{comair}{V}_{comair}{C}_{air}+{\rho }_{air}{V}_{exh}{C}_{air}+k_{\mathrm{cov}er}{A}_{area}/L_{\mathrm{cov}er}}\end{array};---\left(20\right)$式中：t_cut为一个工件加工的切削时间；t_aux为一个工件加工的辅助时间；R_chip为切屑热量分配系数；R_workpiece为工件热量分配系数；e_sce为材料的切削比能；h_chip为无量纲常数，在数值上等于一个已加工工件产生切屑的平均厚度；μ为切削比能修正系数；Vol_chip为一个工件产生切屑的体积；ρ_comiar为压缩空气密度；C_air为空气的比热容；V_comair为压缩空气的体积流量；V_exh为空气换流装置的排气量；k_cover为切削空间防护罩的热导率；A_area为机床与切削空间防护罩之间的换热面积；L_cover为切削空间防护罩的厚度；T₁为车间环境温度；T_machine为机床平均温度；ρ_air为常压空气密度；T_com为低温压缩空气的温度；一个工件加工的切削时间t_cut如下所示：式中：a_p为滚刀切削深度；m_n为滚刀法向模数；δ为滚刀安装角；α为压力角；B为加工工件宽度；N为滚刀头数；z为加工工件齿数；D_w为加工工件外径；D_h为滚刀外径；n_h为滚刀转速；f_a为滚刀轴向进给量；3)对所述干切数控滚齿机床切削空间温升优化调控模型进行求解，即获得当(T_space?T₁)最小时，滚刀转速n_h、滚刀轴向进给量f_a、低温压缩空气温度T_com、空气换流装置排气量V_exh的值；4)利用优化后获得的滚刀转速n_h、滚刀轴向进给量f_a、低温压缩空气温度T_com和空气换流装置排气量V_exh进行干切滚齿加工。 

关 键 词：数控滚齿机床;切削;优化调控;温升;低温压缩空气;换流装置;滚刀轴;进给量;排气量;滚刀;滚齿加工;热量累积;热平衡;求解;优化 

法律状态：生效 

IPC专利分类号：G05B13/04;G05B13/00;G;G05;G05B;G05B13;G05B13/04;G05B13/00