（机械设计及理论专业论文）基于bp神经网络的振动攻丝扭矩模型的研究.pdf

哈尔滨丁稗大学硕+ 学何论文 摘要 与传统的攻丝方式相比，振动攻丝是一种较新的复合加工方法，它可以 提高工艺系统刚度，有效地降低攻丝扭矩，提高螺纹加工质量，特别是可以 解决不锈钢、钛合金等难加工材料小孔攻丝的难题。故研究难加工材料的振 动攻丝具有重要的现实意义。 首先，对丝锥进行运动学分析表明，振动攻丝可以提高丝锥的等效扭转 刚度。基于动态断裂力学理论，分析了振动攻丝中丝锥刀齿对切削区呈脉冲 力作用导致应力出现了跃动，减小了切削扭矩。振动攻丝的重复切削特性可 以降低摩擦扭矩，有利于切削液进入切削区，降低摩擦扭矩。扭矩对比试验 验证了上述机理研究的合理性。 其次，根据人工神经网络强大的非线性建模能力，建立了多参数的振动 攻丝扭矩模型，参数包括工艺参数与材料力学性能参数。对不同材料进行了 振动攻丝m 5 试验研究，材料为4 5 钢( 正火) 、奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 及 钛合金t c 4 。对试验数据进行网络训练，获得了基于b p 网络技术的振动攻 丝扭矩模型。 最后，对所建立的扭矩模型进行了数值计算，结构表明：攻丝扭矩随频 率的增大而减小，随角振幅及净切削时间比的增加而增大，且净切削时间比 对攻丝扭矩的影响均为最显著。 振动攻丝所得的螺纹的牙形完整，形状规则。故振动攻丝可以有效地解 决难加工材料小孔攻丝的工艺难题。 关键词：振动攻丝；难加工材料；扭矩模型：b p 神经网络 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft a p p i n g ，v i b r a t i o nt a p p i n gi san e w m e t h o do fc o m p o u n dm a n u f a c t u r i n g i th a st h ea d v a n t a g e so fe n h a n c i n gt h e t o r s i o n a lr i g i d i t yo fm a n u f a c t u r es y s t e m ，am u c hl o w e rt a p p i n gt o r q u e ，m u c h b e t t e rq u a l i t yo fs c r e wt h r e a d v i b r a t i o nt a p p i n gi st h e np r o v e dt ob eap r a c t i c a l s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fs m a l l h o l et a p p i n gi nd i f f i c u l t - t o - c u tm a t e r i a l s a s y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o ni st h e r e f o r eo fg r e a ti m p o r t a n c e f i r s t l y , t h r o u g hk i n e m a t i ca n a l y s e s ，t h ev i b r a t i o nt a p p i n gc a r le n h a n c et h e t o r s i o n a lt a pr i g i d i t y t h em e c h a n i s mi m p u l s i v eg o r c eo fc u t t i n gt o o t hg e n e r a t i o n i n v i b r a t i o nt a p p i n gi ss h o w n a n dt h ei m p u l s i v ef o r c ei nv i b r a t i o nt a p p i n gl e a d st o r e d u c e dc u t t i n gf o r c e sa n dam u c hl o w e rt a p p i n gt o r q u e t h ei m p u l s ec u t t i n ga l s o l e tt h el u b eb ee a s yt og e ti nt h es e c t i o no fc u t t i n g i th e l pt ol o wt h e 盘i c t i o n t o r q u e a n dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ec o n f i r m e db ye x p e r i m e n t s s e c o n d l y , b a s e do nt h ep o w e r f u ln o n l i n e a rm o d e lb u i l d i n gc a p a c i t y , t h e a r t i f i c i a ln e u r a ln e tw o r ki su s e dt oe s t a b l i s ht h ev i b r a t i o nt a p p i n gt o r q u em o d e l l a r g eq u a n t i t yt r i a lo fv i b r a t i o nt a p p i n gi nd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s u c ha sc 4 5s t e e l ， 1c r l 8 n i 9 t ia n dt c 4 n e u r a ln e t w o r kw i t hb a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h mh a sb e e n a p p l i e dt op r e d i c tt h et a p p i n gt o r q u em o d e l l a s t l y , an u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h et a p p i n gt o r q u em o d e li sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，i nv i b r a t i o nt a p p i n g ，v a r i a t i o no fd e c r e a s i n gv i b r a t i o n t a p p i n gt o r q u er e s u l t sf r o mi n c r e a s i n gf r e q u e n c y ，a n di n c r e a s i n gt a p p i n gt o r q u e r e s u l t sf r o mi n c r e a s i n ga n g l ea m p l i t u d ea n di n c r e a s i n gn e tc u t t i n gt i m er a t i o t a p p i n gt o r q u ei sm o s ti n f l u e n c e db yn e tc u t t i n gt i m er a t i o m o r p h o l o g yo ft e e t ho fv i b r a t i o nt a p p i n gi si n t e g r a t e d a c c o r d i n ga b o v e ， v i b r a t i o nt a p p i n gi sp r o v e dt ob ep r a c t i c a ls o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo ft a p p i n gi n d i 任j c u l t t o c u tm a t e r i a l s k e yw o r d s ：v i b r a t i o nt a p p i n g ；d i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a l s ；t a p p i n gt o r q u em o d e ； b pn e u r a ln e t w o r k s i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 作者( 签字) ： 日期： 粥格 年月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 ，本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。扩 作者( 签字) ：身习塔导师( 签字) ：汤力彳 日期：年】月 日年月 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 攻丝几乎是小螺孔加工唯一切实可行的工艺方法，但攻丝属于半封闭容 屑的多刀齿切削过程，切削扭矩大。而丝锥芯部直径小，加之切削液无法有 效进入切削区，排屑也困难，故切削条件十分恶劣2 1 。 随着科学技术的不断发展，对机械零件性能的要求日益提高，不锈钢、 钛合金等难加工材料被大量采用口。5 3 。但这些材料的特性力学性能使得加工过 程中存在诸多困难。奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 是在钢中加入较多的c r 、n i 、 t i 等元素使其具有耐腐蚀性能。但它的塑性很大，占是4 5 钢( 正火) 的3 7 5 倍，切削变形系数大，切削力大；导热系数小，k 是4 5 钢的1 3 ，切削温度 高导致加工条件更加恶劣，攻丝时丝锥常常折断。钛合金t c 4 由口一t i 及 p t i 两相组成，具有组织稳定，密度小，强度高，耐腐蚀性及高温变形性 能好等一系列优良的力学、物理及化学性能，因此在航空、航天、核能等工 业中得到了广泛地应用。但是t c 4 的强度较高，其民是4 5 钢( 正火) 的1 6 倍，切削扭矩较大：弹性模量小，仅为4 5 钢的1 2 ，攻丝中加工表面回弹会 对丝锥刀齿后刀面产生很大的正应力，摩擦扭矩大；导热系数小，k 约为4 5 钢的1 6 1 7 ，切削温度高。这些使得t c 4 传统攻丝无法完成，常使丝锥卡 死在螺孔中并导致丝锥折断。 如用4 5 钢( 正火) 的相对加工性k ，= 1 衡量，t c 4 的k 、，0 4 ， 1 c r l 8 n i 9 t i 的k ，0 5 0 6 ，均属于难加工材料砸。传统攻丝普遍存在攻丝 扭矩大、丝锥磨损快、易折断、螺纹精度低及废品率高等问题。而攻丝又往 往是最后道加工工序，丝锥折断会使整个零件报废。为了解决这一难题， 人们从丝锥的材料、涂层、几何结构、攻丝工艺参数、切削液及其供给方式 等多方面进行了较深入地研究，使攻丝过程得到了一定程度的改进口呻2 。众多 学者也注意到，在切削过程中引入振动可以大大减小切削力，提高加工精度 和表面质量。实践也证明，振动攻丝具有传统攻丝无法比拟的优点，可以大 大减小攻丝扭矩，提高螺纹精度，增强切削液的作用效果及提高丝锥使用寿 命等。 振动攻丝是一种新工艺、新技术，至今国内外学者对振动攻丝的研究取 得了不少研究成果，但在难加工材料的小孔攻丝中尚存在诸多问题制约该技 术的应用。因此，对难加工材料振动攻丝进行深入系统地理论探讨和试验研 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i m lm 究十分必要，具有重要的理论意义和广泛的实用价值。 1 2 振动切削技术的发展现状 振动切削是一种脉冲切削，即在传统切削中给刀具( 或工件) 施加某种 参数可控、有规律的振动，使得刀具与工件周期性地接触与分离，切削速度 的大小和方向呈周期性地变化n 0 1 。由于切削速度的变化和加速度的出现，使 得振动切削具有了很多特点，特别是在难加工材料切削和难加工工序中都收 到了异乎寻常的效果。 按振动频率可将振动切削分为超声( 1 6 k h z ) 振动切削和低频( ，开始了下个振动周期。为了分析方便，将振动攻丝展开成刀齿的直线切 削形式，丝锥第f 个刀齿的运动轨迹厶及对切削区作用力疋i 随时间f 的变化 如图2 1 b ) 所示。 2 2 。1 丝锥刀齿对切削区呈周期性脉冲力的作用效果 每个振动周期内刀齿的振幅a 可表示为式( 2 1 ) 4 = 疋+ 毛 ( 2 1 ) 6 哈尔滨f 稗人学硕十学位论文 ii|i i 式中 之一每一个振动周期内丝锥刀齿的净切削距离( m m ) ； 名一每一个振动周期内丝锥刀齿的后退距离( m m ) 。 丝锥第i 个刀齿的切削距离厶( f ) 可表示为式( 2 2 ) 主运、 圆周方 振动、 g _ 乏 弓 吒 ( n - 1 ) 7 1 a ) 圆周方肉振动攻丝 b ) 丝锥刀齿运动轨迹及脉冲力模型 图2 1丝锥刀齿运动轨迹及脉冲力模型 厶0 ) = 时半4 班r + 毛 破+ 皇。 刀丁+ ， ，2 丁+ + t 2 ( 2 2 ) 门气+ 堡等丝坚4刀丁+ + f 2 + 毛别 砖+ 4 一磊n t + t w + t 2 + f 3 ( 挖+ 1 ) 丁 式中n 一周期序列，且n = i n t ( t 丁) ； ，时间( s ) ： 每个周期内丝锥刀齿前进时间( s ) ； 乙一丝锥正、反转换向之间停顿时间( s ) ； 厶每个周期内丝锥刀齿后退时间( s ) ； 丁振动周期( s ) 。 振动攻丝过程中，每个周期内丝锥第f 个刀齿对切削区的主切削力z i ) 随时间的变化可表示为式( 2 3 ) c j o ) = p h ( t f 1 ) h ( t f 2 ) 】 ( 2 3 ) 式中p 一脉冲力峰值( n ) ； 瓦一一个周期内刀齿开始接触切削区的时刻； 哈尔滨t 程大学硕士学传论文 t ir i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一个周期内刀齿切削t 结束的时刻； 日( f ) 一h e a v i s i d e 函数。 分析式( 2 一1 ) 可知，及乃可表示为式( 2 - 4 ) r， 卜 r + 奇n ( 2 - 4 ) 【r 2 = n t + t l 由式( 2 3 ) 可知，振动攻丝中刀齿对切削区的作用是呈周期性脉冲力的 作用效果的。 2 2 2 圆周方向振动攻丝工艺参数的确定 对于圆周方向的振动参数，可以由角振幅瓯( 或振幅a ) 与频率工( 或 振动周期t ) 表示，振幅a 是丝锥刀齿偏离平衡位置的最大距离。且存在关 系式( 2 5 ) 4 = 等， 1 1 1 o 2 7( 2 5 ) v 式中d 螺孔直径( m m ) 。 为保证圆周方向的振动攻丝得以实现，每个振动周期f 内刀齿前进距离 气+ 气是大于后退距离z b 的，即为主运动与圆周方向振动的叠加，这里引用净 切削时间比来表示这两个运动相互作用的关联量，可表示为式( 2 - 6 ) 圪：生： 生 。 r ，+ 2 厶 ( 2 6 ) 式中一个周期内刀齿净切削时间( s ) 。 综上可知，圆周方向振动攻丝的工艺参数p a r d = 【工，或， ，其他参数 均可由此参数组给出。 2 3 丝锥的等效刚度提高的机理 攻丝过程中，攻丝扭矩使丝锥产生扭转变形，如式( 2 - 7 ) 所示 jd 9 “_ 旦+ c 譬+ s o s o ：m 一一( t )( 2 - 7 ) + c 一十 =() l z 一，j d 矿d t 、。 8 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 式中，一丝锥惯性矩( m m 4 ) ； c 一粘性阻尼系数； s 一丝锥扭转刚度( n m m ) ； 矽一丝锥扭转角( 度) ； 以t ) 一攻丝扭矩( n m ) 。 振动攻丝过程中丝锥刀齿对切削区呈周期性脉冲力作用( 见式2 3 ) ，攻 丝扭矩为脉冲扭矩m ( f ) ，对m ( t ) 进行傅立叶变换后可得到式( 2 8 ) 删= 坂+ 喜巴s i 懈刀) c o s 8 ， 式中彪一最大脉冲扭矩( n m ) ： 。一丝锥强迫振动角频率( r a d s ) 。 由式( 2 - 7 ) 和( 2 - 8 ) 可知振动攻丝时丝锥扭转变形表示为式( 2 9 ) ，万d 2 0 + c 害+ s 9 = 必十昙心言巴s t n ( 尼万) c o s ( 尼耐) ( 2 圳 由式( 2 - 9 ) 可求出振动攻丝时丝锥扭转角0 为式( 2 1 0 ) 慨，等+ 喜 ( 2 1 0 ) 式中山。一丝锥固有角频率( r a d s ) ； f 一阻尼比，且e l 。 其中铱由式( 2 1 1 ) 给出 1 一老2 篓 舻矿1 磊量 防 畋 而传统攻丝时丝锥的扭转角矽为式( 2 1 2 ) p ，丝 s ( 2 1 2 ) 振动攻丝中当丝锥的振动频率甜远小于丝锥固有频率。时( 即低频振 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 动) ，式( 2 1 3 ) 中的后一项相对于前项来说很小，所以曰近似等于第一项， 由于n 。小于1 ，由式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 2 ) 不难看出秒 0 ，即振动攻丝中丝 锥的扭转角小于传统攻丝中的。在相同的扭矩作用下，扭转变形的减小等效 于丝锥扭转刚度得到了提高。 对式( 2 1 0 ) 进行数值计算，振动攻丝工艺参数对丝锥扭转刚度的影响 见图2 2 ，其中的t h e t a = 0 m s 。数值计算结果表明，振动攻丝中丝锥扭 转刚度随着振动频率的增大而略有提高，且随着净切削时间比的增大将显著 降低。 o2 04 06 08 0 互( h z ) a ) t h e t a 一工关系 1 2 1 0 鼍0 8 区 q 6 0 4 o 2 o 10 20 30 40 5 b ) t h e t a 关系 图2 2 振动攻丝工艺参数对丝锥扭转刚度的影响 2 4 振动攻丝扭矩减小的机理 2 4 1 攻丝过程中的扭矩组成 以第i 切削齿为研究对象，丝锥刀齿的受力分析如图2 3 所示。攻丝过程 中，丝锥第j 切削齿受到切削抗力e 。，丝锥刀齿的齿顶后刀面及两侧面与 已加工螺纹表面间的正压力l i 、2 i 和3 i ，以及由正压力产生的摩擦力蠕i 、 r i 和玮i 。上述各力可合成为在切削平面内平行于切削速度k 方向的分力量 及垂直于切削速度k 方向的径向分力e 。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 , 3 丝锥刀齿的受力分析 若忽略相邻参与切削刀齿切削宽度的微小差别，则丝锥各刀齿产生的径 向分力的合力e 为0 ，即互= 罗圮= 0 。丝锥第i 刀齿在切削平面内的分力曩 为切削抗力只。与刀齿后刀面受到的摩擦力e 的合力，即z = e j + 磊。其中层 是由加工表面的弹性回弹引起的，e 可表示为式( 2 1 3 ) 民= 晶j + i - t - ic o s 。 ( 2 1 3 ) 式中瓯一丝锥刀齿后角 o ) 。 由于丝锥刀齿螺旋升角元的存在，f 可分解为平行于x o - y 平面的切向分 力磊及垂直于x - o - y 平面的轴向分力吒。互i 及只；可表示为式( 2 1 4 ) j 互i = 曩c o s 五= 丘ic o s 五4 - 屏ic o s 1 气= 互s i n i = 吒s i n i + f f is i n 2 ( 2 _ 1 4 ) 丝锥攻制螺纹时，丝锥各刀齿的切向分力冗决定了攻丝扭矩膨的大 小，由式( 2 1 4 ) 的第1 式可知，切向分力e 。由第f 刀齿所受到的切削抗力e ； 与刀齿后刀面受到的摩擦力磊沿切向分力的合力组成，则攻丝扭矩m 由切 削扭矩m 与摩擦扭矩m ，两部分组成，即肘= 坂+ m ，；各刀齿的轴向分力 冗的合力决定了攻丝过程中丝锥受到轴向力只的大小。m 及e 可表示为式 ( 2 1 5 ) m m = y j o l = 只= 1 = 1 吒忡s 五+ 善层舻。m ( 2 - 1 5 ) s i n t + e i s i n 2 j - 1 式中朋切削齿齿数； 玖第i 刀齿切削刃回转半径( m ) ； 多飞 一 一r 、 ， 反+ l p 晶、 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 _ ；, , 一i i n 1 l l l m i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 甩一丝锥同时工作的齿数( 切削齿和校准齿之和) 。 攻丝过程中，丝锥的受力情况是决定加工能否顺利进行以及螺纹质量的 重要因素。难加工材料攻丝中，攻丝扭矩大常常使丝锥扭断，加工无法jj i 哽4 u 进行。如能有效地减小切削扭矩及摩擦扭矩，即减小攻丝扭矩，可使攻丝过 程能很顺利地完成。 2 4 2 振动攻丝减小切削扭矩的机理 图2 4 所示直角自由切削中切削区受力分析。第一变形区确定坐标系 q - - x l y l z l 中，前刀面上受到法向力和摩擦力，f 为合力，声为摩擦角， e 为主切削力，c 为主运动方向垂直的切削分力，矽为剪切角，托为刀具前 角。坐标系0 一x l y ，2 l 中刀具对第一变形区作用的剪切力瓦及剪切面上法向力 气。与e 间的关系为式( 2 - 1 6 ) h 7 3 a ) 坐标关系b ) 力与角度的关系 图2 4 直角自由切削中切削区受力分析 由式( 2 3 ) 可知，振动攻丝中丝锥刀齿对切削区呈脉冲力作用效果。式 ( 2 3 ) 可改写为应力的形式，可表示为式( 2 1 7 ) g ( ，) = 8 z 4 ( t 一乃) 一h ( t 一砭) ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 7 ) 可知，振动攻丝中丝锥刀齿对第一变形区是呈周期性脉冲 应力的作用效果。在一个振动周期内，丝锥刀齿与切削区仅在乙一时间段 1 2 萎 哈尔滨丁稃人学硕十学何论文 m mmi i 内接触并实现切削( 见式2 3 ) ，即一个振动周期内丝锥刀齿对切肖| j 区呈阶跃 力的作用效果。若设瓦= 0 ，式( 2 1 7 ) 可改写为式( 2 一1 8 ) g = p i h ( t ) ( 2 1 8 ) 金属晶体中分布着大量的位错，若由1 0 0 个位错塞积成核，其尺寸约为 1 1 0 。m m ，属微裂纹h 8 1 。在一般切削速度范围内，第一变形区的厚度约为 0 0 2 0 2 m m k 引，相对微裂纹的尺寸，第一变形区可以假设是无限大的。若从 裂纹中心面截取，考虑裂纹尺寸及力的对称性，则裂纹的尺寸将不会影响力 对裂纹尖端的作用效果，即微裂纹可以假设成半无限裂纹。图2 5 给出了含 有半无限裂纹的无限大弹性体，引入一右手系，使z 轴与裂纹前缘线重合，y 轴与裂纹面垂直，且半无限裂纹位于y = 0 及x 0 区域中。 图2 5含有半无限裂纹的无限大弹性体 含半无限裂纹的无限大弹性体，在零初始状时刻裂纹静止，裂纹面受到 一对大小相等、方向相反、沿裂纹面运动的集中剪切力作用时，力到裂纹尖 端的距离为三。材料特征参量的剪切弹性模量、泊松比及密度分别用g 、v 及 p 表示。 由于几何形状和力的对称性，只需考虑上半平面y 0 。边界条件可表示 为式( 2 1 9 ) ( x ，0 ，z ，f ) = 0 吒y o ，0 ，z ，) 2 吒( ) c ，z ，) + 略( z ，) c r y z ( x ，0 ，z ，f ) 2 仃二( x ，z ，f ) + 仃五( x ，z ，f ) ( 2 _ 1 9 ) 甜。( z ，0 ，z ，f ) = 甜：( x ，0 ，z ，) 掰：( z ，0 ，z ，f ) =