薄片长悬臂匕首刀刃磨变形预测及加工参数优化研究

作     者：楼天锋 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于保华;蒋树文

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：薄片长悬臂 超声匕首刀 磨削力 磨削变形 加工参数优化 

摘      要：超声匕首刀作为超声振动辅助切削加工系统中的核心部件,刀具主要呈现出薄片与长悬臂的形状特点,导致在刃磨时极易产生变形误差,从而影响此类刀具的超声切削加工性能。现有的刀具刃磨通常根据工艺参数手册选择磨削速度、进给量和磨削深度,出于安全考虑,许多操作人员通常采用保守的参数,刃磨精度与效率尚有待进一步提高,因此迫切需要进行刃磨加工参数的科学优化以提升非标超声刀具的刃磨效率与精度。本文以非标超声匕首刀为研究对象,探究刃磨变形问题并寻求加工参数的最佳优化方案,旨在降低非标超声刀具刃磨变形和提高加工效率。论文主要工作内容如下: 1.考虑磨粒干涉特性的新型磨削力模型推导。磨粒干涉是磨削过程中一个重要的现象,它涉及到磨粒之间的相互作用和对工件表面的影响。为了更准确地理解和预测磨削过程中的力和磨削效应,提出一种考虑磨粒干涉的有效磨粒计算方法,基于匕首刀磨削机理推导出不同变形阶段的磨削滑擦力、耕犁力和磨削变形力的表达式,然后在其基础上构建出考虑磨粒干涉的磨削力模型。为开展匕首刀的挠度变形预测研究奠定了理论基础。 2.新型变截面的超声匕首刀刃磨挠度变形模型研究。鉴于超声匕首刀的薄片长悬臂的几何形状特点,提出了一种新型变截面的超声匕首刀刃磨挠度变形模型。由于匕首刀斜刃部分为变截面,传统方法无法计算该斜刃的弯曲刚度,所以利用等效刚度结合悬臂梁模型逆向求解,并采用分段刚化法求解挠度变形,最后使用迭代算法实现了变形量的自动化计算,提高了变形的计算效率。 3.提出一种结合遗传算法与BP神经网络的磨削多加工参数优化模型。以变形量和材料去除率作为优化目标,归一化后使用实验数据进行BP神经网络建模与训练,针对BP神经网络容易过拟合与陷入局部最小值的局限性,采用遗传算法进行遗传算法优化求解磨削加工参数模型,寻找出最优参数。 4.超声匕首刀具磨削力及挠度变形的实验验证。基于超声匕首刀需要考虑变截面与长悬臂夹持进行磨削的加工情况,提出了可旋转式实验台,可根据变截面来快速调整磨削面积,极大地贴近实际磨削加工。磨削力预测模型数据与实测数据之间的平均误差为9.2%,且寻找出的最优参数比目前使用参数的综合指标提高了8.6%。