[發明專利]基于模態分析的超聲切削刀具設計方法

在審

• 申請號: 201410557508.1
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104318007A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 田錫天;陳龍;車武軍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種超聲切削刀具設計方法，特別是涉及一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法。

背景技術

文獻“超聲振動切削刀具設計，機械設計與制造，2012，Vol02，p242-244”公開了一種超聲切削刀具設計方法。該方法以擴大刀具頂端振幅為目的，首先分析切削系統的運動狀態，計算出振動波長，再確定出變幅桿的尺寸，定位刀具端點處于整個波長的四分之一波長處，以達到最大振幅。按照波動合成原理，當系統處于共振狀態時，只有在逐波節點平面內，從單方向的入射波和反方向的反射波引起的質點位移大小相等方向相反，合成位移始終為零。因此，變幅趕的固定點選擇在逐波節點處，由逐波節點向兩端延伸振幅逐漸增大，到達刀具頂端再次出現振幅最大的波腹點，達到擴大振幅的目的。為了使每次加工時刀具都能達到最大振幅，作者設計出定位刀架，調節刀具在彈簧夾頭固定的尺寸，以滿足每次加工時刀具頂端都處于波長的最大振幅處，較好地解決了在超聲振動切削中，設計刀具達到最大振幅的目的。該文獻所述方法的實際應用性不強，每次換刀都需要重新定位測量刀具的位置，降低了加工效率；同時，如果有些刀具長度尺寸較短，而所需定位長度較長，可能會使得刀具夾緊不牢靠，在振動切削中容易使刀具脫落，發生事故。在工藝設計中，彈簧夾頭夾緊刀具的長度至少應該達到整個刀具長度的三分之一以上。

發明內容

為了克服現有超聲切削刀具使用安全性差的不足，本發明提供一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法。該方法首先確定系統的共振頻率，然后確定刀具在設計時可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優化，以經過模態分析得出的振幅最大為目標，得出刀具尺寸最優的結果，即可選擇該尺寸的刀具作為本次加工所使用的刀具，使由刀具和超聲刀柄構成的超聲振動切削系統能夠在共振狀態下工作，從而提高超聲振動切削的性能和效果，只需要換刀，無需每次加工時重新定位測量，提高了加工效率和加工時的安全系數。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法，其特點是采用以下步驟：

步驟一、根據超聲振動切削系統的特性，在加工前進行模態分析，確定系統工作頻率f₀。

步驟二、根據刀具類型和結構，在保證加工要求的前提下，確定待優化的刀具參數變量，設定初始參數值。如果加工的是切除材料，設定可變參數為三個邊長和切刀的厚度；如果加工的是孔，鉆頭直徑保持不變，設定可變參數有鉆頭的長度、螺旋槽的長度和刀柄的直徑。

步驟三、采用遺傳算法對步驟二中的可變參數進行優化運算，優化后的刀具可變參數結果供步驟四使用。

步驟四、根據步驟三得出優化后的刀具可變參數，對超聲振動切削系統進行模態分析，即獲得所需振型的第一固有頻率f和振幅，并驗證目標變量a的符合程度：

a=min|f-f0|b=max(M)]]>

式中，a表示第一固有頻率和超聲振動切削系統的工作頻率之間的差；b表示刀具尖端位移放大倍數的最大值；M表示刀具尖端位移的放大倍數。

步驟五、經過步驟三和步驟四的反復運算操作，得出最符合設計要求的結果，輸出優化后的刀具參數。

本發明的有益效果是：該方法首先確定系統的共振頻率，然后確定刀具在設計時可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優化，以經過模態分析得出的振幅最大為目標，得出刀具尺寸最優的結果，即可選擇該尺寸的刀具作為本次加工所使用的刀具，使由刀具和超聲刀柄構成的超聲振動切削系統能夠在共振狀態下工作，從而提高超聲振動切削的性能和效果。由于采用改變刀具可變參數的方法，以匹配超聲振動切削系統的工作頻率，使得超聲加工過程中能獲得最大的振幅。同時，在加工過程中，每次換刀所選擇的刀具都是經過數值優化計算得到的最優刀具，不需要每次都重新定位測量選擇刀具頂端的位置，因此可以在加工中心中使用自動換刀，提高了加工效率，保證加工的安全性，適用工廠大規模推廣使用。