[發明專利]一種超聲切削刀具的多目標優化設計方法

有效

• 申請號: 201810311442.6
• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108319803B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 馬付建;張文超;張生芳;龐皓文;劉宇;沙智華
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 高永德;李洪福

1.一種超聲切削刀具的多目標優化設計方法，包括刀具模態分析、切削性能分析和數據處理，刀具模態分析、切削性能分析包括以下步驟：

1)選定待優化超聲切削刀具標定的幾何參數；

2)待優化超聲切削刀具與超聲變幅桿組成的一體化連接件，對待優化超聲切削刀具與超聲變幅桿組成的一體化連接件進行模態分析，取得待優化超聲切削刀具與超聲變幅桿組成的一體化連接件振動頻率與超聲電源工作頻率處于同一階時超聲切削刀具的各幾何參數區間；

3)在模態分析獲取的超聲切削刀具幾何參數區間選取待優化超聲切削刀具幾何參數樣本點和與各幾何參數樣本點對應的超聲切削刀具的切削參數，待優化超聲切削刀具幾何參數樣本點用部分因子設計法選取，待優化超聲切削刀具的幾何參數包括刀具直徑d、長度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溫度T、切削力F和刀具磨損率σ，刀具磨損率通過刀具磨損公式計算，刀具磨損公式為：

式中，σ是刀具磨損率，A和B為經驗系數，ε為表面應力，V為刀屑間的相對滑移速度，T為切削溫度，超聲切削刀具可選擇點參數如下表，

可選擇點參數表

數據處理包括以下步驟：

4)在待優化超聲切削刀具幾何參數可選擇點點中選取n個樣本點作擬合數學表達式的樣本點，n為大于等于3的正整數，用擬合數學表達式的參數分別用三階響應面法和沿中心點展開的響應面法擬合出超聲切削刀具各幾何參數分別與切削力、切削溫度、刀具磨損率之間關系的數學表達式，另取擬合數學表達式的樣本點外的可選擇點作為檢驗點，將檢驗點的參數分別用各數學表達式計算出結果，將各數學表達式計算出結果與檢驗點參數相比較，以兩種方法擬合的數學表達式中誤差最小的分別為切削力參數方程、切削溫度參數方程和刀具磨損率參數方程；用上述的三階響應面法和沿中心點展開的響應面法方法擬合出振動頻率參數方程；其特征在于：所述數據處理還包括重要性、值域區間權重分配處理，所述重要性、值域區間權重分配處理包括以下步驟：

5)用1-9標度法判斷規則，對振動頻率f、切削溫度T、切削力F和刀具磨損率σ按照所需重要性兩兩比對，比對結果為：振動頻率與切削力重要性比對結果定義為a₁₂，振動頻率與切削溫度重要性比對結果定義為a₁₃，振動頻率與刀具磨損重要性比對結果定義為a₁₄，切削力與切削溫度重要性比對結果定義為a₂₃，切削力與刀具磨損重要性比對結果定義為a₂₄，切削溫度與刀具磨損重要性比對結果定義為a₃₄，振動頻率f、切削溫度T、切削力F和刀具磨損率σ與自己重要性比對結果定義為1，將比對結果以矩陣形式列出得判斷矩陣B，

判斷矩陣B中，a為a₁₂，b為a₁₃，c為a₁₄，d為a₂₃，e為a₂₄，f為a₃₄，將判斷矩陣B歸一化處理，即矩陣B中每個數除以按行相加和得到矩陣C，

將矩陣C按列相加得到矩陣J，

令矩陣K＝所述矩陣J

其中，U代替矩陣J的第一行，X代替矩陣J的第二行，Y代替矩陣J的第三行，Z代替矩陣J的第四行，

對矩陣K做歸一化處理，得矩陣V，矩陣V即為重要性權重矩陣，

令矩陣W＝所述矩陣V，并以w₁₁，w₁₂，w₁₃，w₁₄代替W矩陣內的參數，所述的w₁₁，w₁₂，w₁₃，w₁₄即為所求的重要性權重，其中w₁₁為振動頻率重要性權重，w₁₂為切削力重要性權重，w₁₃為切削溫度重要性權重，w₁₄為刀具磨損率重要性權重，

6)以待優化超聲切削刀具各幾何參數區間的參數值分別與振動頻率f、切削溫度T、切削力F和刀具磨損率σ為坐標，得出刀具各幾何參數分別與振動頻率f、切削溫度T、切削力F和刀具磨損率σ之間的坐標曲線，分別為：刀具直徑——振動頻率曲線、刀具直徑——切削力曲線、刀具直徑——溫度曲線、刀具直徑——刀具磨損率曲線，長度——振動頻率曲線、前角——振動頻率曲線、前角——切削力曲線、前角——溫度曲線、前角——刀具磨損率曲線，后角——振動頻率曲線、后角——切削力曲線、后角——溫度曲線、后角——刀具磨損率曲線，楔角——振動頻率曲線、楔角——切削力曲線、楔角——溫度曲線、楔角——刀具磨損率曲線，刀尖角——振動頻率曲線、刀尖角——切削力曲線、刀尖角——溫度曲線、刀尖角——刀具磨損率曲線，從各曲線獲取曲線最小值對應的待優化超聲切削刀具各幾何參數值；

分別以振動頻率參數方程、切削力參數方程、切削溫度參數方程和刀具磨損率參數方程與各自理論最小值之商分別乘以各自的重要性權重w₁₁，w₁₂，w₁₃，w₁₄，再相加求和得到式P₁，

7)用步驟4)擬合出的切削力參數方程、切削溫度參數方程、刀具磨損率參數方程和振動頻率參數方程，分別計算出刀具磨損率、切削力、切削溫度和振動頻率最大值和最小值，并用最大值比最小值，將區間歸一化處理得到最小值為1的各值域區間，分別為

刀具磨損率σ值域區間范圍[1,σ_max/σ_min]

切削力F值域區間范圍[1,F_max/F_min]

切削溫度T值域區間范圍[1,T_max/T_min]

振動頻率f值域區間范圍

f_τ為超聲電源發出的刀具工作時最佳振動頻率，

8)比較上述值域區間，選出其中一個值域區間最小的，將其他三個值域區間分別除以值域區間最小的所得之商，即為三個值域區間的倍數，其中最小的值域區間的倍數為1，將四個倍數求和，

B1＝A1+A2+A3+A4

式中，A1為刀具磨損率大的值域區間是最小值域區間的倍數，A2為切削力大的值域區間是最小值域區間的倍數，A3為切削溫度大的值域區間是最小值域區間的倍數，A4為振動頻率大的值域區間是最小值域區間的倍數，B1為以上4個倍數之和，

9)將刀具磨損率大的值域區間是最小值域區間的倍數、切削力大的值域區間是最小值域區間的倍數、切削溫度大的值域區間是最小值域區間的倍數和振動頻率大的值域區間是最小值域區間的倍數分別除以倍數總和，分別獲得切削力、切削溫度、刀具磨損率和振動頻率值域區間權重，

C1＝A1/B1

C2＝A2/B1

C3＝A3/B1

C4＝1-C1-C2-C3

式中，C1為磨損率值域區間權重，C2為切削力值域區間權重，C3為切削溫度值域區間權重，C4為振動頻率值域區間權重，

10)根據值域區間越大，值域區間權重越小的原則，將最小的值域區間權重乘以最大的值域區間，次小的值域區間權重乘以次大的值域區間，

11)以切削力參數方程、切削溫度參數方程、刀具磨損率參數方程和振動頻率參數方程與各自理論最小值之商乘以值域區間權重C，再相加求和得到式P₂，

12)綜合考慮切削溫度、切削力、刀具磨損率、振動頻率的重要性及其值域區間大小，結合實際加工需求，重要性權重占比為θ₁，θ₁∈(0,1)，值域區間權重占比為θ₂，θ₂∈(0,1)，其中θ₁＝1-θ₂，將P₁乘以重要性權重占比θ₁，將P₂乘以值域區間權重占比θ₂，再將二者相加得到適應度函數P，P＝θ₁×P₁+θ₂×P₂

13)將適應度函數P使用遺傳算法并施加幾何參數約束區間，對待優化超聲切削刀具各幾何參數進行迭代運算，獲得最終優化后的刀具幾何參數，

14)用優化后的刀具幾何參數對刀具變幅桿一體化連接件進行模態分析，用顯示動力學法對圓片刀進行切削性能分析，得出幾何參數優化后的刀具變幅桿一體化連接件振動頻率、切削溫度、切削力和刀具磨損率。