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《哈尔滨理工大学》 2010年
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基于元胞自动机的三维复杂槽型车刀片设计及其断屑研究

冯新敏  
【摘要】: 在车削过程中,如何控制切屑形成,使之有规律地卷曲并折断是提高车削自动化生产系统加工效率的关键。虽然断屑方法有多种,但是目前生产上广泛采用断屑槽断屑,使用合适的断屑槽,能使切屑可靠合理的折断,降低因不断屑或者断屑不可靠造成的不正常停机率,从而保证加工系统正常运行,提高生产效率。可见,断屑槽在车削过程中起着重要的作用,如何设计槽型就更加显得重要和急迫。 由于切屑折断受多种因素的影响,因此断屑槽的设计也受多种因素影响,是个非常复杂的问题,用传统方法很难解决,因此目前还没有成熟的槽型设计的理论,所以本文首次将元胞自动机(简称CA)这一适合解决复杂系统的数学模型用于断屑槽的设计。 首先,建立了几种常用槽型曲线的CA模型。应用Cowell流屑角模型及等效槽型参数的概念,建立了刀片等效槽宽的数学模型,并计算出适合于切削不同工件材料的等效槽宽的值,确定了CA模型的元胞空间;针对几种不同形状曲线的槽型,结合切屑卷曲及折断理论,确定了适合每种槽型曲线的演化规则,并应用Matlab编程实现了CA模型的动态演化,可得到垂直于主切削刃的任意剖面内几种二维槽型曲线的几何参数。为槽型的设计提供了准确的数据,改变了以往槽型设计中靠经验加试验的传统设计方式。 其次,在二维槽型曲线CA模型的基础上,提出并制订了由多剖面合成三维复杂槽型的合并准则和算法,研制了新的断屑可控制的三维复杂槽型车刀片。应用Pro/Engineer设计了三维复杂槽型的车刀片实体;在此基础上应用Pro/Toolkit和VC++开发了三维复杂槽型车刀片的参数化设计系统,克服了传统的Pro/Engineer零件设计过程步骤多,工作量大的缺点,即简化了槽型设计的步骤,又可以减少设计者的工作量,缩短了刀片的设计周期,提高了刀片的市场竞争能力。 第三,制作新设计的二维和三维复杂槽型车刀片,并进行了槽型车刀片的断屑试验。二维槽型的模拟断屑试验表明,由CA模型动态演化得到槽型曲线的几何参数合理;三维复杂槽型车刀片断屑试验结果表明,三维槽型断屑范围宽,屑型好,也即得到了理想屑型和断屑范围,因而证明CA可以用于设计三维复杂槽型车刀片。 第四,建立了三维复杂槽型车刀片断屑范围预测的BP神经网络模型。用此模型可以预测新开发的刀片断屑范围而不需要进行切削试验,节约了试件,减小切削试验的工作量,为刀片实际应用时确定合理的切削用量提供理论指导。
【学位授予单位】:哈尔滨理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG712

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