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硕士论文大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 摘要 硬铣削加工( 即旋风铣削加工) 是二十世纪中后期产生的一种新型切削加工方式， 因其高效、优质、低耗、清洁等优势成为切削加工的主流方式，被广泛地运用到螺纹 及丝杠的切削加工中。本文以提高大型丝杠的旋风铣削加工精度为目的，通过理论建 模与有限元仿真的方法研究大型丝杠的旋风铣削加工过程，并对其加工工艺进行优 化。 针对大型丝杠刚度低的问题，建立了多支撑下的大型丝杠的旋转动力学模型，且 在建模的过程中考虑丝杠旋转速度，丝杠自重对大型丝杠旋转动力学研究的影响。运 用有限元仿真技术与m a t l a b 中的遗传算法工具箱对支撑布局进行优化。 对大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化的方法进行了研究。由于粒子群算法收敛速 度快、核心程序简单、涉及学科知识少等优点，重点研究了粒子群算法并编写了粒子 群算法程序。针对粒子群算法存在的缺陷，提出了基于随机方向法的粒子群算法 ( i m m p s o ) 来弥补该缺陷。通过测试函数分析及与其它文献对比，对基于随机方 向法的粒子群算法的算法性能进行了研究，并将其运用到大型丝杠的支撑布局再优化 中。 建立了大型丝杠旋风铣削加工的瞬时切削厚度模型，刀屑接触长度模型，并基 于高速切削加工理论，建立了大型丝杠旋风铣削加工的切削力理论模型，同时通过有 限元切削仿真，得到不同旋风铣削加工参数，不同刀具结构下的旋风铣削力、表层残 余应力、切屑形态等。 建立大型丝杠在沿轴向移动的断续旋风铣削力作用下的动力学模型，通过使用 w f 艮d 力一目法求解此模型得到不同旋风铣削工况下的大型丝杠的动力学响应，同时在 a b a q u s 中，对大型丝杠旋风铣削加工模型进行模态动态分析得到大型丝杠的动力 学响应，且在m a t l a b 数值模拟与有限元模态动态分析的过程中，考虑大型丝杠的 旋转速度、自重，铣刀盘的轴向进给速率，断续旋风铣削力，夹紧力对大型丝杠动力 学响应的影响。 最后，将大型丝杠在沿轴向移动断续旋风铣削力作用下的动力学响应值作为目标 函数，使用基于随机方向法的粒子群算法与m a t l a b 遗传算法工具箱对旋风铣削加 工参数进行优化。 关键词：大型丝杠，旋风铣削加工；粒子群算法，动力学响应，模态动态分析 a b s c m c i 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 a b s t r a c t h a r d 、j v _ i l i r l i n gi san e wm a n u f i a c t l j r i n gm e m o dw l l i c hi sd i s c o v e r e db yt l ：i em i d d l eo f 2 0c e n n 哆ni s 俪n o u sf o ri t sl l i 曲q u a d 咄l l i 曲e 伍c i e n c y ，l o w - c o i l s m n i n g ，c l e a n l e s s ，a n d h 嬲b e e ni n t e i l s i v e l yu di i ls c r e wa n db a l ls c r e wm a n u f a c t u r i n g h 1t l l i sa n i c l e ，w e 抽na t i i i l p r o v et l l em a c l l i l l i n ga c c u r a c yo fl 硼g eb a l ls c r e w m e 删l e ，w eu s et l l e o r e t i c a l m o d e l i n g 锄df i i l i t ee l 锄e n ta r i a l y s i st 0o p t i m i z e l em a n u f a c n gp r o c e s s f i r s t l y i i lo r d e rt oi n c r e a s et l l er i g i d i t ) ，o fl a 玛eb a l ls c r e w ，w eb u i l dt 1 1 ed y n 锄i c e q l l a t i o no fl a r g eb a l ls c r e wu i l d e rs u p p o n s ，t a k i n gc o i l s i d e ro fr o t a t i n gs p e e da 1 1 dg r a v i 锣 o fl a 略eb a l ls c r e w ，a i l du s eg e n e t i ca l g o 打c l l mt o o l b o xi i lm a n ，a ba i l df i i l i t ee l e m e n t a 1 1 a l y s i st o0 p t i m i z et h el a y o u to fs u p p o n s s e c o n d l y ，d or e s e a r c ha _ b o u tt l l em e n l o dt 0o p t i m i z i n gm a n u f i a c t u r i n gp r o c e s sw l l i c hi s c a l l e do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m b e c a u s ep a n i c l es w 锄o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mh a sf 奴 c o n 、，e 玛e n c ee 伍c i e n c y ，s i m p l ep r o c e d u r e ，l i t t l es u 均e c ti i l v o l v e da i l ds oo i l s oi nm i s a r t i c l e 、ea r em a j i 坶f o c u so ni t ，w i l a t sm o r e ，、v ei m p r 0 v et h ep e r f 0 m a n c eo fp a r t i c l e s w 锄叫i m i z a t i o na l g o r i t l l i i lt 1 1 r o u 曲a d d i n gr a n d o md i r e c t i o nm e t h o di n t 0i t ，锄dw e u s ei m p s ot oo p t i m i z et l l el a y o u to f s u p p o r t sa g a i n t 1 1 i r d l y m o d e l i n gt l l em i n i m u l i lc 1 1 i pt h j c k n e s s ，也ei n s t a n t a n e o u sc h i pt l l i c k i l e s sa i l d t o o l w o r kc o n t a c tl e n g t h ，a n dt h e o r e t i c a l l yb u i l d 1 ew h i r l i n gf o r c em o d e la c c o r d i n gt 0 h i 曲s p e e dm e t a lc u t t i n gt h e o r y ，m e a l l 、：h i l es t u d yw l l i d i n gf o r c e ，s u r f a c er e s i d u a lf o r c e ， c h i ps h a p eu 1 1 d e rd i 仃e r e n tw h i r l i n gc o n d i t i o na 1 1 dm es t r u c t u r eo fc u t t e rt h r o u 曲m e t a l c 眦i n gs i m u l a t i o ni i la b a q u s f o 删l l y ，b u i l d 1 ed y n a m i ce q u a t i o no fr o t a t i n gl a 玛eb a l ls c r e wu n d e ra x i a l i ym o v i n g i n t e r r u p t e d 、) v ! 虹r l i n gf o r c e ，s o l v i n gt h i se q u a t i o na n dd o i n gd y r 脚n i cm o d a la r l a l y s i so fl a 玛e b a l ls c r e wu n d e rw l l i r l i n gi i la b a q u st og e tb a l ls c r e w sd e n e c t i o i l ，t a l ( i n gc o n s i d e ro f t h er o t a t i n gs p e e da n d 目a v i 够o fb m ls c r e w ，a ) 【i a l l ym o v i n gi n t e r m p t e dw r h i r l i n gf o r c e 觚d c l 锄p i n gf o r c e f i n a l l y 、cc o n s i d e rm ed e f l e c t i o no fb a l ls c r e wu i l d e ra ) 【i a l l ym o v i n gi m e m j p t e d w h i r l i n gf o r c e 嬲o b j e c t i o nn m c t i o n ，a n du s ei 国m p s oa i l dg a l dt oo p t i m i z et l ：屺 w h i r l i n gp a 瑚咀l e t e r k e yw o r d s ：l 鹕e b a l ls c r e w ，w h i r l i i l g ，p a j t i c l es w 锄o p t i m i z a t i o n ，d y n 锄i cd e n e c t i o n ， m o d a ld y n 锄i c a i l a l y s i s i l 硕士论文 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 1 绪论 1 1 研究背景及课题来源 长度达到四米以上的轴类构件一般被称为大型轴类构件，其中最具有代表性的就 是大型丝杠，如图1 1 所示。大型丝杠被广泛地运用在各种大型机床及大型汽轮机等 高精密机器中，如图1 2 所示，它在重型、高精密机床的进给系统中起着举足轻重的 作用，为大型机床的加工精度提供了保证，推动着国民经济的快速发展。 图1 1 大型丝杠实物图图1 2 大型丝杠在重型机床中的运用 丝杠虽然为各种传动、进给系统的精度提供了保证，但其传统加工效率较低，其 传统加工工艺如图1 3 所示。 图1 3 丝杠的传统加工工艺流程图 通过图1 3 中的加工工艺可以加工出符合规格的丝杠，但加工效率较低。随着高 档数控机床与基础装备制造业的快速发展，对丝杠的切削加工提出了越来越高的要 求，如短而快的交货期、产品的高质量、服务的高品质以及优惠的价格等等。为了达 到以上要求，二十世纪中后期，研究学者发明了一种新的切削加工技术一硬旋铣加工 技术。硬旋铣加工技术以其高效、优质、清洁的优点，成为切削加工的主流技术，具 有强劲的生命力与广阔的应用前景，其优点具体如下： ( 1 ) 随着切削速度的增加，单位时间内的工件切除量也随之增加，切削加工时 间随之减少，大幅度地提高了切削加工效率，同时由于切削速度的增加，切削力随之 减少，有助于切削加工刚性相对较弱的零件。 ( 2 ) 硬旋铣加工时，切屑快速排出，带走9 0 以上的切削热，传递给工件的热 l 绪论 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 量较少，减少了加工后零件的内应力和热变形【l j 。 虽然硬旋风铣削加工技术显著地提高了丝杠的加工效率与加工质量，但在加工大 型丝杠时，仍存在很多难点，主要如下： ( 1 ) 尺寸误差较大。由于大型丝杠轴向尺寸较长，所以整体刚度较低，若采用 “一夹一顶 的装夹方式进行切削加工，丝杠的加工精度难以保证。 ( 2 ) 振动剧烈。在大型丝杠的切削加工中，由于采用旋风铣削加工技术，铣刀 盘上的刀具频繁的切入切出丝杠，导致丝杠在断续旋风铣削力的作用下剧烈振动，此 时，若不采取措施来提高丝杠的加工稳定性，丝杠表面会出现振痕，严重影响了丝杠 的表面加工质量。 ( 3 ) 夹紧力选择。在大型丝杠的旋风铣削加工中，为了提高丝杠的局部切削刚 度，在旋风铣削加工点前后设置随动夹紧机构，但夹紧机构的夹紧力大小的选择对于 丝杠的切削加工有着重要的影响。当夹紧力设置过小时，丝杠在断续旋风铣削力的作 用下剧烈抖动，导致丝杠加工质量下降；当夹紧力设置过大时，丝杠难以旋转，因此 夹紧力研究对于丝杠的加工质量的提高有着重要的意义。 ( 4 ) 残余应力变形。在旋风铣削加工中，铣刀与丝杠之间互相作用产生的切削 热沿着丝杠的表面传递到丝杠轴心，导致丝杠内冷外热，在丝杠的表面产生残余拉应 力，丝杠内部产生残余压应力，导致丝杠发生变形并最终报废。 以上关于大型丝杠的旋风铣削加工难点问题，困扰着此领域的许多研究学者，严 重地制约了大型轴类构件加工的发展。 本课题是基于项目“高档数控机床与基础制造装备 国家科技重大专项 ( 2 0 0 9 2 x 0 4 0 0 1 ) 。 1 2 国内外对于大型轴类构件切削加工的研究现状 1 2 1国外对于大型轴类构件切削加工的研究现状 大型构件按照形状可以分成大型轴类构件、大型板类构件、大型壳体类构件等。 大型轴类构件的切削加工理论上可以简化成细长轴的切削加工，根据已掌握的文献 知，国外对于细长轴的车削加工的研究较少，主要集中在细长轴的车削加工动力学研 究方面，而对于尺寸误差分析，尺寸误差在线监测与补偿，加工稳定性等方面的研究， 研究对象以普通轴为主，其具体研究方向如下： ( 1 ) 细长轴的切削加工动力学研究 国外许多学者对于轴的研究主要集中在轴的车削加工尺寸误差分析，但轴的车削 加工尺寸误差分析一般都是基于轴处于静态下的，不能准确地模拟细长轴的实际切削 加工过程，因此国外许多学者在研究轴类构件的车削加工动态特性时，将其简化成旋 2 硕士论文大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 转梁在沿轴向移动载荷作用下的动力学响应进行研究，考虑了梁的旋转速度、载荷的 轴向进给速率对于动力学响应的影响。 t i m o s h e n k o 首次研究了梁在沿轴向匀速移动的谐波载荷作用下的动力学响应， 1 9 8 8 年，k a t z 研究了旋转轴在沿轴向匀速进给、径向旋转载荷作用下的动力学响应 并研究了其加工稳定性；2 0 0 6 年，t n s l l i a u 等建立了细长轴在沿轴向匀速进给的三 维力作用下的动力学方程，首次提出了使用多项式模态形函数( g a m m ) 来研究不 同装夹方式下的轴的动力学响应，并研究了不同旋转速度和进给速率下的轴的动力学 响应情况【z 。2 0 0 7 年，h u 句i a n go u y a i l g ，m i ew 抽g 使用与t n s l l i a u 相似的方法对 细长轴的动力学响应进行了分析，但考虑了主切削力( e ) 对细长轴轴线形成的弯 矩对于细长轴的切削动力学的影响。研究表明，该弯矩对于细长轴的切削加工动力学 研究有着重要的作用，不能忽略【3 1 ，如图1 4 所示。2 0 0 9 年，y m h u a n g 等通过研究 旋转梁在循环轴向力和径向力作用下的动力学响应来模拟轴的车削加工，并研究了细 长轴车削加工的稳定性【4 j 。同年，t n s h i a u 通过研究乃聊傩 p 砌梁在沿轴向移动颤 振力作用下的动力学响应来模拟长丝杠的磨削加工，在研究过程中沿用了g a m m 法 与r l m g e k u _ t t a 法，得到不同丝杠与砂轮的旋转速度下的临界磨削深度，显著降低了 丝杠磨削加工的成本【习。2 0 0 9 年，t n s h i a u 首次通过引入几何边界约束，探索了多 支撑下的旋转梁在沿轴向移动的三维切削力作用下的动力学响应，获得了不同支撑个 数下的细长轴在不同旋转速度，不同切削力轴向进给速率作用下的动力学特性【6 j 。 以上对于细长轴的切削加工动力学研究均未考虑细长轴的重力对于车削加工动 力学研究的影响。在未切削加工之前，大型轴类构件在重力的作用下出现下垂现象， 因此大型轴类构件的重力不能忽略。 z z 图1 4 考虑切向力对于细长轴车削加工的影响 图1 5 轴车削加工的有限元模型 ( 2 ) 轴的车削加工尺寸误差分析 工件的尺寸误差来源于整个加工系统中各个部件的尺寸误差在工件上的复映，包 括机床的热力变形误差、刀具磨损、机床的进给系统误差等，而提高工件加工质量的 关键就是减少加工系统的整体尺寸误差。如a v p h 觚与c l o u t i e r 建立了车削加工中 具有封闭解的工件的变形的有限元模型，该模型适用于不同直径的阶梯轴【1 7 1 。m a y e r 建立了不同装夹方式下的工件车削加工尺寸误差模型，仿真结果显示，进给力对于尺 l 绪论大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研冤 寸误差起着决定性的作用，主切削力对尺寸误差的影响较小，可忽略不计【8 】。a vp l m 对已经建立的车削加工工件变形的有限元模型进行改进，考虑了跟刀架的刚度与剪切 变形因素，研究了不同跟刀架刚度下的工件的尺寸误差的变化情况，经验证该模型是 有效的【9 j ，如图1 5 所示。c 枷n o 等建立了不同装夹方式下工件的车削加工尺寸误差 模型，考虑了工件、刀具退让及夹具变形等因素1 1 0 。 ( 3 ) 轴的车削加工尺寸误差在线监测与补偿 轴的车削加工尺寸误差在线监测与补偿是提高细长轴车削加工精度的重要措施。 国外许多学者对此进行了深入地研究，a z o l l z i 与g u i l l o t 采用人工神经网络( - d 州n ) 对车削加工中的工件的尺寸误差与表面粗糙度( i h ) 进行了在线预报，流程图如图 1 6 所示。试验表明，该系统具有较高的预测精度，并提出了最佳的输入参数组合( 即 背吃刀量、进给量、背吃刀力、进给力) i l l 】。m s b o o d 等通过对背吃刀力与刀具径向 振动进行实时测量，采用人工神经网络( a n n ) 建立起车削加工中工件尺寸误差的 预报模型【1 2 1 。随着现代传感技术的快速发展，许多学者通过实时测量工件的尺寸来进 行自适应控制，从而降低车削加工中的工件尺寸误差，提高工件的加工精度。 图1 6 轴车削加工状态监测及补偿示意图 ( 4 ) 轴的车削加工稳定性研究 轴的车削加工稳定性研究对加工精度的提高具有重要的作用，影响轴的车削加工 失稳的主要因素是车削加工颤振现象。 国外学者对于车削加工稳定性的分析主要集中在建立瞬时切削厚度模型，动态切 削力模型，从而建立加工系统的动力学模型，使用稳定性判据判断系统的稳定性。 c k c h e n ，y m t s a o 建立了细长轴车削加工的动力学方程，分别建立了当工件为刚 性与柔性情况下的瞬时切削厚度h ( t ) ，并将其带入动力学方程，使用稳定性判据得到 临界切削厚度与主轴旋转速度之间的稳定性关系【1 3 j 。ym h ii a n g 与k k c h a n g 研究了在沿轴向移动动态切削力作用下的旋转梁的稳定性，在分析的过程中运用了多 尺度分析法，得到了旋转速度与切削深度之间的稳定性区域刚1 4 】。y m h 啪g 等通 过研究旋转梁在轴向移动的循环轴向力与圆周力的作用下的动响应来模拟轴的车削 加工，并对车削加工的稳定性进行了研究【4 j 。t n s h i a u 通过研究乃，加s 抛玎幻梁在沿 轴向移动颤振力作用下的动力学响应来模拟长丝杠的磨削加工，在研究过程中，考虑 了刀具磨损，刀具、丝杠退让对于动态磨削力的影响，并对其磨削加工稳定性进行研 究【5 1 。 4 硕士论文大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 1 2 2国内对于大型轴类构件切削加工的研究现状 国内对于大型轴类构件的研究起步较晚，基础比较薄弱，但经过许多学者的研究， 提出了许多切实可行的方法解决大型轴类构件加工中的难点问题。国内对于大型轴类 构件的研究与国外的研究内容较为相似，即通过研究尺寸误差模型、尺寸误差监测与 补偿、加工的稳定性、加工工艺等方面提高细长轴的车削加工精度。 哈尔滨工业大学的郭建亮对在跟刀架作用下的细长轴的车削加工尺寸误差进行 了研究，建立了其尺寸误差模型，定量地分析了车削加工参数( 轴向进给率、背吃刀 量) 与跟刀架水平、竖直刚度对细长轴尺寸误差的影响规律。试验表明，该模型的预 测精度较好【l5 。范胜波沿用了m a y e r 等提出的方法对轴车削加工中的尺寸误差进行 预测，并且通过改变数控编程来对车削加工轴的尺寸误差进行离线补偿。研究结果表 明，经离线补偿后的轴的尺寸误差降低了近7 0 【1 6 】。上海交通大学的吴吴等建立了 基于g a 和人工神经网络( 肿州) 的热变形尺寸误差在线监测模型，并通过编写数控 程序对热变形尺寸误差进行实时补偿，显著地降低了车削加工中由于热变形而导致的 尺寸误差1 1 7 】。哈尔滨工业大学的崔伯第对细长轴的车削加工稳定性进行了研究，考虑 了装央方式、跟刀架、主振系统阻尼比等对加工稳定性的影响【l 引。同时许多国内学者 还通过加工工艺的方法改进来提高细长轴的加工精度，如提出了采用合理的刀具角 度，正、逆向切削，夹拉法切削等加工工型1 9 】；针对大型轴类构件的振动问题，提出 了在切削加工中设置随动跟刀架与夹紧机构；针对切削加工中出现的热变形问题，提 出了使用弹性顶尖来释放由于热变形而导致的工件的轴向伸长；针对切削加工中工件 内冷外热导致残余应力的现象，提出了使用冷却液来降低工件的表面温度，以上措施 都显著地提高了细长轴的切削加工精度。 1 3 旋风铣削加工技术的国内外研究现状 旋风铣削加工技术是二十世纪中后期发展起来的一种先进加工技术，以其高效、 环保、高精度等优点，被广泛地运用于各种螺纹的加工。国外德国、美国、英国等已 经成功地将该技术运用于精密加工，其中德国在此方面处于领先地位，旋风铣削机床 及铣刀盘如图1 7 ，1 8 所示。德国生产的数控旋风铣床的铣刀盘的最大转速可到4 万到6 万r m i n ，精确加工m o 6 以上的外螺纹以及m 1 2 以上的内螺纹，其表面粗糙 度可达r a 0 4 1 2 ，但国外的理论研究处于技术保护阶段，未见报道。 国内对于旋风铣削技术的研究相对滞后，但是经过十几年的发展，也取得了显著 的成果，将旋风铣削的应用水平从半精加工水平提升到精加工水平，如东方汽轮厂通 过调整刀具结构的几何参数来补偿形状误差，基于此项技术制造的旋风铣削机床可应 用于大型内螺纹的加工；济南第三机床有限公司采用多齿刀盘旋风铣削加工各种螺 l 绪论人型丝奉i ：的旋风铣削加t 工艺优化研究 纹，显著地提高了螺纹的加工精度和刀具耐用度：中南大学的谭立新重点研究了高速、 超高速旋风铣削加工技术，并将其应用于精密加工【2 0 l 。 图1 7 旋风铣削机床实物图图1 8 旋风铣削铣刀盘实物幽 以上介绍的学者与单位为将旋风铣削加工技术应用于精密加工作出了贡献，但加 t 对象基本是螺纹或普通丝杠，对于大型丝杠的旋风铣削加工研究较少。南京工艺装 备，。通过引进德国的旋风铣削技术，成功地加工出符合标准的长达4 m 以上的大型丝 杠：陕西汉江机床厂通过自主创新，将旋风铣削加工技术应用到大型丝杠的切削加工 中，投入了大量的人力，物力，取得了一定的成果。 1 4 切削加工参数优化算法的国内外研究现状 切削加工参数的合理选择对于零件的加工效率与加工质量有着重要的影响。许多 优化算法被运用到切削加工的参数优化中，先后出现了神经网络算法、遗传算法【2 、 粒了群算法【2 2 1 ，其中粒了群算法由十收敛速度快、核心程序简单、涉及学科知识少等 优点，被广泛地运用于各种j u j 题优化中，但是仍然避免不了智能算法的共性，即算法 迭代后期出现早熟现象，使得粒子群收敛于局部最优值。为了解决上述缺点，许多学 者对粒了群算法进行改进，丰要集中在对粒子群算法参数的改进以及与其它智能算法 优势互补等方面。 1 4 1粒子群算法参数设定的研究现状 粒了群算法中惯性权照( w ) 、学习冈子( a ，g ) 、粒一f 群个数( ) 等参数的 设定，在粒了群迭代中起着重要的作用，严重地影响着算法的收敛性及效率。s h i 与 e b e r h a r t 在粒了群速度迭代公式中引入了。漩性权重，研究表明，惯性权重偏小有利于 算法的收敛，而偏大则有利于跳出局部极小值。在迭代的过程中动态地调整其值，平 衡算法的令局收敛性弓收敛速度【2 3 j 。朱小六等人提了动念臼适应惯性杖。重改变法， 引入了粒f 进化度、粒子聚合度，然后重新定义权重变化公式。试验验证陔方法提高 了算法的收敛精度，川时加强了全局的搜索能力【14 l 。佶丌友提出j ，具有团队合作能力 的惯性杖重策略的p s 0 算法，仿真试验结果表f 列，算法征求解质量j 求解效率厅m i 硕士论文 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 取得了较好的效果【2 5 1 。沈艳等对粒子群速度迭代公式中的学习因子g 、g 进行了研究， 通过实验研究，当q = 岛= 2 时，算法具有较快的收敛速度【2 6 1 。e b e r h a nr c ，s h im u i 提出当粒子群的个数一般设定在2 0 到5 0 之间可保证粒子群的收敛性【2 7 1 。c 1 e r c 提出 了自适应p s o 算法，在速度的迭代公式中引入收缩因子，减少粒子的振荡幅度【2 引。 t i n g y uc h e n 在粒子群的位置与速度初始化过程中引入正交表，确定初始粒子在可行 解空间中的位置、速度。通过使用此方法，使得初始粒子在搜索空间中均匀分布，从 而显著地提高粒子群的寻优效掣2 9 l ，初始粒子群分布如图1 9 所示。 ( a )( b ) 图1 9 初始粒子群生成中，( a ) 没有引入正交因素；( b ) 引入正交冈素 c h e nd e b a o ，z h a oc h u n x i a 提出了粒子群前、后两次迭代的方差相差小于1 0 _ 6 时， 需改变6 0 的粒子位置，以提高粒子群的多样性。先将当前迭代的粒子群的适应度值 从高到低进行排序，取缔适应度值低的6 0 粒子，使其粒子的位置随机生成【3 0 】。倪 庆剑等提出了在粒子群的迭代过程中，必须限制粒子群每一维的飞行速度，。在每 一维的值一般设定为对应维位置变化范围的10 到2 0 【3 1 l 1 4 2 与其它智能算法融合的研究现状 在基本粒子群算法中融合其他智能算法已经成为当下粒子群算法的发展主趋势， 先后出现了量子粒子群算法、模拟退火粒子群算法、遗传粒子群算法、混沌粒子群算 法、自适应逃逸算法，双种群变异算法等。 s u nj 等人将量子力学引入到粒子群算法中，提出了量子粒子群算澍3 2 1 。窦全胜 在粒子群算法的每次迭代过程中加入模拟退火的思想，这种算法在迭代开始时，温度 高，接受劣值的几率较大，粒子较容易跳出局部最优，随着迭代次数的增加，温度降 低，接受劣值的概率也随之降低，保证在迭代后期粒子群在某一个局部区域内寻优【3 3 1 。 s e t t l e s 等人提出了一种混合遗传算法( g a ) 与p s o 算法的混合算法，在对p s o 算法 7 l 绪论 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 的改进过程中，对于粒子的速度与位置引入遗传算法中的交叉和变异操作，使得p s o 算法更好地摆脱局部极值点，提高算法的收敛速率和全局收敛性【3 4 j 。l i u 等人在p s o 算法中融合混沌算法的思想来增强p s o 算法的搜索能力。试验结果表明，混沌p s o 算法显著地增强了算法的搜索效率与搜索质量【3 5 j 。彭鑫等提出了双种群变异粒子群 算法，实验结果显示该算法的搜索效率相比基本粒子群算法显著增强【3 6 j 。纪震，周家 锐等在传统粒子群优化算法的基础上提出了子矢量法，改进后的算法对于大部分标准 复合测试函数具有高效的全局搜索能力，但首先得理清设计变量中各分量之间的相关 性，因此实际操作起来比较复杂i j 。 1 5 本论文研究的主要内容、方法及意义 本论文以大型丝杠为主要研究对象，针对大型丝杠旋风铣削加工中存在的主要问 题，以提高大型丝杠的加工精度为主要目的，从提高大型丝杠的刚度，旋风铣削加工 参数优化等方面进行研究，在研究过程中采用建立切削加工的数学模型和有限元仿真 相结合的方法，具体研究工作如下： ( 1 ) 针对大型丝杠刚度低的问题，选用了大型丝杠的支撑切削加工，建立了多 支撑下的大型丝杠的动力学模型，在建模的过程中考虑丝杠旋转速度，丝杠自重对大 型丝杠旋转动力学研究的影响。以建立的动力学模型为基础，使用w i l s o n - 秒法求解 动力学方程组，得到在重力以及顶尖力作用下的大型丝杠的动力学响应值，并以大型 丝杠的最大动力学响应值为目标函数，使用m a t l a b 遗传算法工具箱与有限元仿真 技术对支撑个数与布局进行优化。 ( 2 ) 鉴于粒子群算法收敛速度快、核心程序简单、涉及学科知识少以及在处理 非线性、多约束函数优化方面的优越性，文中重点研究了粒子群算法，编写了粒子群 算法程序，并对粒子群算法中存在的缺点进行改进，提出了基于随机方向法的粒子群 算法来弥补粒子群更新后的适应度值提高或降低不能代表变量各维度向最优方向移 动的缺点。使用不同的测试函数以及与其它文献进行比较来检测基于随机方向法的粒 子群算法的算法性能，并将其用于大型丝杠支撑布局的再优化中。 ( 3 ) 建立了大型丝杠旋风铣削加工瞬时切削厚度模型、最大瞬时切削厚度模型、 刀屑接触长度模型，基于高速切削加工理论建立旋风铣削力理论模型，并在有限元 仿真软件a b a q u s 中建立大型丝杠旋风铣削加工的几何模型，通过有限元切削仿真 得到不同旋风铣削工况下的大型丝杠的旋风铣削加工切削力。对影响旋风铣削力的旋 风铣削加工参数、刀具结构等因素进行了研究，得到了不同旋风铣削加工工况下，旋 风铣削力的变化规律，同时得到了不同刀具结构下，丝杠的旋风铣削加工切削力，表 面残余应力，切屑形态等的变化规律。 ( 4 ) 基于大型丝杠的支撑布局研究的基础上，建立了优化支撑布局下的大型丝 8 硕士论文 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 杠在断续旋风铣削力作用下的动力学模型，使用w i l s o n 口法求解此模型得到大型丝 杠在断续旋风铣削力作用力下的动响应，并在有限元仿真软件a b a q u s 中建立多支 撑下的大型丝杠旋风铣削加工几何模型，将旋风铣削力作用在大型丝杠上，通过模态 动态分析得到了不同旋风铣削工况、不同旋风铣削作用点下，大型丝杠的动响应变化 规律，将有限元模态动态分析得到的大型丝杠的动力学响应与数值模拟结果相比较。 鉴于夹紧力在大型丝杠旋风铣削加工中的重要作用，文中研究了不同夹紧力，不同夹 紧机构与旋风铣削加工作用点之间距离下，大型丝杠的旋风铣削加工动力学响应变化 规律。 ( 5 ) 基于大型丝杠在断续旋风铣削力作用下的动力学响应研究，分别使用基于 随机方向法的粒子群算法与m a t l a b 遗传算法工具箱对大型丝杠的旋风铣削加工参 数进行优化，并进行算法性能比较，同时通过m a t l a b 数值模拟与模态动态分析研 究优化前、后旋风铣削加工参数作用下，大型丝杠的动力学响应的变化情况，验证优 化后的旋风铣削加工参数是否显著降低了大型丝杠的动力学响应值。 总之，大型丝杠的旋风铣削加工变形研究对于提高大型丝杠的加工精度有着重要 的意义，文中通过对大型丝杠的旋风铣削加工变形研究，从工艺上提出措施来降低大 型丝杠的变形，并对大型丝杠的旋风铣削加工参数进行优化，从而提高大型丝杠的加 工质量。 9 2 犬型丝枉旋风铣削加工的支撑布局研究人型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 2 大型丝杠旋风铣削加工的支撑布局研究 大型丝杠由于轴向尺寸较长，因此刚度较低。为了提高丝杠的切削刚度，实际生 产中一般采用在卡盘与尾座之间设置几个固定支撑，当切削点靠近支撑时，支撑在力 的控制下脱离丝杠，当切削点远离支撑时，支撑在力的作用下恢复与丝杠的接触，如 图2 1 ( a ) 所示。 ( b ) 图2 1 人 l i ! 丝杠旋风铣削加j ：的：( a ) 支撑实物图( b ) 支撑作h j 卜的定位图 在卡盘与尾座之问布置支撑，固然可以提高丝杠的刚度，但引入了过定位问题， 如图2 1 ( b ) 所示，采用“一央一顶”方式进行定位，限制了l = 件的六个自由度，但 若增加一个支撑，就出现了过定位问题( 重复限制了沿x 方向上的平动) ，工件的过 定位会影响- 1 ：件的加工精度，若不妥善处理，会导致工件报废，f 限重影响工件的加工 质量。由实际经验知，若设置过多的支撑，丝杠切削刚度增加，但增加了过定位度且 加：f 效率降低；若设置过少的支撑，丝札的刚度难以保证，最终有r 叮能导致丝杠报废， 因此研究支撑的个数以及支撑的和局对于大型丝杠的加工精度的提高具有重要的意 义。 2 1 旋转轴类构件的动力学理论基础 国外许多学者在研究瑞利梁系数( r a y l e 培hb e a mc o e 伍c i e n t ) 小于0 1 的轴类 构件的牟削加1 ：动态特性时，将其简化成旋转梁在沿轴向移动载荷作用下的动力学响 应来进行研究。 2 1 1 “，一b p 厂盯o “，i 梁与7 了朋d s 办p 门砌梁理论 承受横向载荷变弯曲的杆件被称为梁，按照简化方式可分为胞妇恸梁、 e “，一b p r 门d “，i 梁与力m d s 向p ，? 幻梁；按照约束方式可分为悬臂梁、简支梁等。 4 ：梁的简化过程巾，甜，盯一b p r 行d “盯i 梁忽略r 剪切变形与转动惯最，认为初始 垂卣于f f l 性轴的截平面i 在变形时仍保持平面，儿仍难直。j - 中性轴，即认为戗、p 而的转 动等于挠度曲线在该平面处的切线的斜率，适用丁纵阳尺寸远大丁剖而尺寸的细长弹 硕士论文大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 性体，如图2 2 ( a ) 所示。托砌梁则考虑了转动惯量与剪切变形，假定原来垂 直于中性面的截面变形后仍保持为平面，但此时不在垂直于中性轴，需要考虑横向剪 切变形对截平面的影响，即梁内的横向剪切力所产生的剪切变形引起梁的附加挠度值 【3 8 】，如图2 2 ( b ) 所示。 粱的任一截面 ( a )( b ) 图2 2 梁的简化形式，( a ) e “拓，一占匆m d 甜肼梁( b ) 乃m d s 厅p 刀勋梁 文中在研究大型丝杠旋风铣削加工的支撑布局时，由于大型丝杠的瑞利梁系数 远小于o 1 ，因此可将大型丝杠简化成励胁一晚聊d “f 梁。 2 1 2 旋转e 甜跆，一b p 聊d z ，刀f 梁的动力学建模 旋转面彪，一b p 聊d 甜刀，梁在沿轴向移动三维力作用下的示意图，如图2 3 所示，梁 的长度为z ，半径为，( ，：2 么) ，梁围绕其轴线做恒定的旋转运动，旋转速度为q 。 g 图2 3 旋转e “? 盯一b p m d 甜朋f 梁往沿轴向移动三维力作用卜的不意图 设眈彪，一b e m d “胁梁沿+ 】，、+ z 轴方向上的动力学响应( 动挠度) 分别为y ( x ，f ) 和( x ，f ) ，围绕x d 一】，面与x d z 面的扭转角分别为b ( z ，f ) 与1 1 ( x ，) ，则： b ( x ，) ：一皇丝姜兰盟，r ( x ，f ) ：曼兰窒量尘 ( 2 1 ) “【ax n ，n ， 由文献 6 】知，令矿( x ，) = 谚( x ) q ( f ) ，形( x ，) = 谚( x ) 匆( r ) ，= l p 1 n ，n ， b ( x ，f ) = 一谚( x ) 匆( f ) ，r ( x ，f ) = 谚( x ) 口，( f ) ( 2 2 ) 口i 口l 式中，q ( f ) 、包( f ) 为梁沿+ y 、+ z 轴方向上的广义坐标。谚( x ) 为模态形函数，“ 1 1 2 大型丝杠旋风铣削加工的支撑布局研究大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 代表对“x 的求导。 模态形函数一般可以分为以下几种形式网【5 6 】： 例鲥才1 谳洲垆岳s i n ( 和 余弦式：谚( x ) = 刍c o s ( 竽嘎) f = 1 ，2 3 ，以 ( 2 3 ) 式中彳为梁的横截面面积，p 为梁的材料的密度。 基于砌胁一眈m d 甜刀f 梁理论，梁的动斛6 1 可表达成： 丁= 兰f p 4 ( 步2 + 痧2 ) 加+ 丢f ( 吾2 + 亡2 ) + p 刀q 2 + 2 q f p ，( 刍r ) 出c 2 4 ) 梁的势能可表达成： u = 丢f 讲( 矿- ) 2 + ( 形。) 2 p 一三r ( 矿- ) 2 + ( 肜) 2 卜 眩5 ) 艿二。兰谚( x ) 万q + 兰谚 ) 万6 ( 2 6 ) 拉格朗日动力学方程为： 丢( 寺( 丁一u ) ) 一苦( 丁一u ) = q ( 2 7 ) 将式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 带入式( 2 7 ) 得旋转梁的动力学方程组， r a ， 茎 + c c ， 主 + r k ， ： = 獬 c 2 8 ， 式中，“ 代表对“， 的求导，【m 】、【c 】、【k 】分别为旋转系统的质量、阻 尼、刚度矩阵。 = ；苫 r = 三一i 茜一t 7 ，同理得 二占 7 ，【口6 r 。 【p ( ，) g ( ，) 】r = 【p ( 1 ) 一p ( 尸) 9 ( 1 ) 一g ( 坼) r ，代表作用在梁上的各种力的广 1 2 硕士论文 大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 2 2 大型丝杠的旋转动力学研究 2 2 l 尢夏撑f 的大型丝杠的动力学建模 将旋转e 材彪，一b p 朋d 材胁梁在沿轴向移动三维力作用下的动力学建模理论运用到 大型丝杠的旋转动力学研究当中，具体研究步骤如下： 设模态形函数为正弦式，如式( 2 3 ) 所示，将其带入式( 2 2 ) 分别得y ( x ，f ) 、形( x ，) 、 召( x ，) 、r ( x ，f ) 。 虚功为：万= “岛s i n ( 罕膨哪) ( 2 9 ) 则旋转e 材尾，一b p 聊d 甜刀，梁在无支撑作用下的动力学方程组为： ( + 筹，函+ 等一讹( 筹 客一删= 。 泣，。) ( 1 + 筹，2 厕一等一蠢( f ) + ( 筹 筹，2 ) - g ( ，) ( 2 1 1 ) g ( ，) 2 9 。高寺( 1 - c 0 如万) ) 卜1 ，2 ，3 ， ( 2 1 2 ) 式( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) 中，g 为重力均布载荷，见为尾座顶尖对于大型丝杠的作用 力，q 为梁的转速，g ( ，) 代表重力作用在梁上的广义力。 整理式( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) 得， 【m 】 ； + c 】 5 + 【k 】【口】= 【f 】 ( 2 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，【，】= 【og ( ，) 】7 1 ，【抒= 【口盯 2 2 2 考虑支撑约束下的大型丝杠的动力学建模 2 2 2 1 支樘约束的等效 大型丝杠刚度低，切削加工时须在卡盘和顶尖之间布置个支撑，如图2 4 所示。 图2 4 大犁丝杠在多支撑作用下的简化图 2 大型丝杠旋风铣削加工的支撑布局研究大型丝杠的旋风铣削加工工艺优化研究 支撑点的几何约束【6 】为： y ( 对，f ) = o ；形( # ，f ) = o ；j = 1 ，2 ， 卡盘装夹点的几何约束为： y ( ，r ) = o ；矽( 彳，f ) = o y ( # ，) = o ；形( # ，f ) = o ；f = 1 ，2 ， 式中：吃为卡盘点的约束个数。 2 2 2 2 边界条件转换及动力学建模 将式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 展开，设g = + 2 吃网，则： 口i 吒 西( 矸) 磊( 霉) 识( ) 唬( 对) 欢( 霹) 唬( ) 噍( 矸 噍( 霹 噍娥 农+ 。( 群) 以+ ：( 对) 九( 对) 九+ 。( 霹) 唿+ ：( 霹) 九( 霹) 噍+ - ( 筏) 噍+ ：( ) 九( ) i 略+ 2 a n ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) i 口g + l l ， = 吲篡2 ( 2 1 6 ) 贝o ：【q 口：口】r = ； 口g + ，9 ；+ ：口 r = - 以g + 。口g + ： a r 7 ， 同理得：【6 l6 2 “r = 碍 略。+ ：6 r 式( 2 1 3 ) 中的 g 】可转换为： 【g 】= 髻品 。“ 7 r r 9 1 c 2 j 7 ， 将式( 2 1 7 ) 带入式( 2 1 3 ) 得考虑支撑几何约束的旋转系统动力学方程： ? 7 r 【m 】 r r 三： + r r r 【c 】 r7 ( i ： + r r r 【k 】 尺r q 3 = r 7 丁【f 】c 2 8 ， 2 2 3 支撑约束下的大型旋转丝杠动力学数值模拟 使用m a t l a b 软件分别编写有、无支撑下的大型丝杠旋转系统的动力学模型的 程序，对其进行数值模拟分析