[发明专利]一种超声切削刀具的多目标优化设计方法

说明书

一种超声切削刀具的多目标优化设计方法，包括刀具模态分析、切削性能分析和数据处理，模态分析包括对待优化超声切削刀具与超声变幅杆组成的一体化连接件进行模态分析，数据处理包括用样本点拟合数学表达式和重要性、值域区间权重分配处理，用遗传算法对待优化超声切削刀具各几何参数进行迭代运算，获得最终优化后的刀具几何参数。有益效果是：综合考虑了影响刀具寿命的多个因素，很好的改善了刀具设计中切削力大、切削温度高、磨损率较大等问题，提高了刀具超声切削的性能和效果。

技术领域

本发明属于超声切削刀具技术领域，尤其涉及超声切削刀具的优化设计，特别涉及超声切削刀具几何参数的多目标优化设计方法。

背景技术

蜂窝芯复合材料常被应用于航空航天领域，目前普遍采用高速铣削加工。高速铣削加工的方法的不足是：加工的工件存在缺陷、质量差，刀具寿命低。为解决高速铣削加工方法的不足，现有技术中有超声切削加工方法，超声切削加工方法可以有效避免高速铣削缺陷，并且降低切削力、切削温度、大幅提高加工效率。

现有技术中，CN104318007A专利公开了一种基于模态分析的超声切削刀具设计方法，该专利公开了关于振动频率的单目标优化。其不足是：只考虑单一振动频率因素，当频率跟踪困难，刀具振动幅度减小时，切削力会增大，切削温度上升，影响刀具使用寿命以及加工质量，使工件产生缺陷，同时该方法并未考虑刀具几何参数对切削加工性能的影响，设计方法不完善。

《高效切削钛合金Ti6Al4V刀具磨损特性及切削性能研究》文献中，公开了对各个子目标进行两两比较的直接赋值设计方法，该方法考虑了区间大小对权重的影响。其不足是：没有考虑每个子目标值域区间相对大小的重要性，会产生权重比例失调的问题，因此，设计方法存在缺陷。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术存在的不足，提供一种针对超声切削刀具几何参数的多目标优化设计方法，将超声切削刀具振动频率、切削力、切削温度、刀具磨损及子目标值域区间相对大小对权重影响的各个因素综合优化，显著改善刀具性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声切削刀具的多目标优化设计方法，包括刀具模态分析、切削性能分析和数据处理，刀具模态分析、切削性能分析包括以下步骤：

1)选定待优化超声切削刀具标定的几何参数；

2)待优化超声切削刀具与超声变幅杆组成的一体化连接件，对待优化超声切削刀具与超声变幅杆组成的一体化连接件进行模态分析，取得待优化超声切削刀具与超声变幅杆组成的一体化连接件振动频率与超声电源工作频率处于同一阶时超声切削刀具的各几何参数区间；

3)在模态分析获取的超声切削刀具几何参数区间选取待优化超声切削刀具几何参数样本点和与各几何参数样本点对应的超声切削刀具的切削参数，待优化超声切削刀具几何参数样本点用部分因子设计法选取，待优化超声切削刀具的几何参数包括刀具直径d、长度L、前角α、后角β、楔角γ和刀尖角δ，刀具的切削性能包括切削温度T、切削力F和刀具磨损率σ，刀具磨损率通过刀具磨损公式计算，刀具磨损公式为：

式中，σ是刀具磨损率，A和B为经验系数，ε为表面应力，V为刀屑间的相对滑移速度，T为切削温度，超声切削刀具可选择点参数如下表，

可选择点参数表

数据处理包括以下步骤：