[发明专利]一种超声切削刀具的多目标优化设计方法

摘要

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。

主权项

1.一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：4)在待优化超声切削刀具几何参数可选择点点中选取n个样本点作拟合数学表达式的样本点，n为大于等于3的正整数，用拟合数学表达式的参数分别用三阶响应面法和沿中心点展开的响应面法拟合出超声切削刀具各几何参数分别与切削力、切削温度、刀具磨损率之间关系的数学表达式，另取拟合数学表达式的样本点外的可选择点作为检验点，将检验点的参数分别用各数学表达式计算出结果，将各数学表达式计算出结果与检验点参数相比较，以两种方法拟合的数学表达式中误差最小的分别为切削力参数方程、切削温度参数方程和磨损率参数方程；用上述方法拟合出振动频率参数方程；其特征在于：所述数据处理还包括重要性、值域区间权重分配处理，所述重要性、值域区间权重分配处理包括以下步骤：5)用1‑9标度法判断规则，对振动频率f、切削温度T、切削力F和刀具磨损率σ按照所需重要性两两比对，比对结果为：振动频率与切削力重要性比对结果定义为a12，振动频率与切削温度重要性比对结果定义为a13，振动频率与刀具磨损重要性比对结果定义为a14，切削力与切削温度重要性比对结果定义为a23，切削力与刀具磨损重要性比对结果定义为a24，切削温度与刀具磨损重要性比对结果定义为a34，振动频率f、切削温度T、切削力F和刀具磨损率σ与自己重要性比对结果定义为1，将比对结果以矩阵形式列出得判断矩阵B，判断矩阵B中，a为a12，b为a13，c为a14，d为a23，e为a24，f为a34，将判断矩阵B归一化处理，即矩阵B中每个数除以按行相加和得到矩阵C，将矩阵C按列相加得到矩阵J，令矩阵K＝所述矩阵J其中，U代替矩阵J的第一行，X代替矩阵J的第二行，Y代替矩阵J的第三行，Z代替矩阵J的第四行，对矩阵K做归一化处理，得矩阵V，矩阵V即为重要性权重矩阵，令矩阵W＝所述矩阵V，并以w11，w12，w13，w14代替W矩阵内的参数，所述的w11，w12，w13，w14即为所求的重要性权重，其中w11为振动频率重要性权重，w12为切削力重要性权重，w13为切削温度重要性权重，w14为磨损率重要性权重，6)以待优化超声切削刀具各几何参数区间的参数值分别与振动频率f、切削温度T、切削力F和刀具磨损率σ为坐标，得出刀具各几何参数分别与振动频率f、切削温度T、切削力F和刀具磨损率σ之间的坐标曲线，分别为：刀具直径——振动频率曲线、刀具直径——切削力曲线、刀具直径——温度曲线、刀具直径——磨损率曲线，长度——振动频率曲线、前角——振动频率曲线、前角——切削力曲线、前角——温度曲线、前角——磨损率曲线，后角——振动频率曲线、后角——切削力曲线、后角——温度曲线、后角——磨损率曲线，楔角——振动频率曲线、楔角——切削力曲线、楔角——温度曲线、楔角——磨损率曲线，刀尖角——振动频率曲线、刀尖角——切削力曲线、刀尖角——温度曲线、刀尖角——磨损率曲线，从各曲线获取曲线最小值对应的待优化超声切削刀具各几何参数值；分别以振动频率参数方程、切削力参数方程、切削温度参数方程和磨损率参数方程与各自理论最小值之商分别乘以各自的重要性权重w11，w12，w13，w14，再相加求和得到式P1，7)用步骤4)拟合出的切削力参数方程、切削温度参数方程、磨损率参数方程和振动频率参数方程，分别计算出磨损率、切削力、切削温度和振动频率最大值和最小值，并用最大值比最小值，将区间归一化处理得到最小值为1的各值域区间，分别为磨损率σ值域区间范围[1,σmax/σmin]切削力F值域区间范围[1,Fmax/Fmin]切削温度T值域区间范围[1,Tmax/Tmin]振动频率f值域区间范围fτ为超声电源发出的刀具工作时最佳振动频率，8)比较上述值域区间，选出其中一个值域区间最小的，将其他三个值域区间分别除以值域区间最小的所得之商，即为三个值域区间的倍数，其中最小的值域区间与自己的相比的倍数为1，将四个倍数求和，B1＝A1+A2+A3+A4式中，A1为磨损率大的值域区间是最小值域区间的倍数，A2为切削力大的值域区间是最小值域区间的倍数，A3为切削温度大的值域区间是最小值域区间的倍数，A4为振动频率大的值域区间是最小值域区间的倍数，B1为以上4个倍数之和，9)将磨损率大的值域区间是最小值域区间的倍数、切削力大的值域区间是最小值域区间的倍数、切削温度大的值域区间是最小值域区间的倍数和振动频率大的值域区间是最小值域区间的倍数分别除以倍数总和，分别获得切削力、切削温度、磨损率和振动频率值域区间权重，C1＝A1/B1C2＝A2/B1C3＝A3/B1C4＝1‑C1‑C2‑C3式中，C1为磨损率值域区间权重，C2为切削力值域区间权重，C3为切削温度值域区间权重，C4为振动频率值域区间权重，10)根据值域区间越大，值域区间权重越小的原则，将最小的值域区间权重乘以最大的值域区间，次小的值域区间权重乘以次大的值域区间，11)以切削力参数方程、切削温度参数方程、磨损率参数方程和振动频率参数方程与各自理论最小值之商乘以值域区间权重C，再相加求和得到式P2，12)综合考虑切削温度、切削力、磨损率、振动频率的重要性及其值域区间大小，结合实际加工需求，重要性权重占比为θ1，θ1∈(0,1)，值域区间权重占比为θ2，θ2∈(0,1)，其中θ1＝1‑θ2，将P1乘以重要性权重占比θ1，将P2乘以值域区间权重占比θ2，再将二者相加得到适应度函数P，P＝θ1×P1+θ2×P213)将适应度函数P使用遗传算法并施加几何参数约束区间，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，14)用优化后的刀具几何参数对刀具变幅杆一体化连接件进行模态分析，用显示动力学法对圆片刀进行切削性能分析，得出几何参数优化后的刀具变幅杆一体化连接件振动频率、切削温度、切削力和磨损率。