水電能源行業(yè)在國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中占有重要地位,高水頭水力發(fā)電必須采用沖擊式水輪機(jī)組,其中的關(guān)鍵部件水斗轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)及整體數(shù)控加工技術(shù)目前在我國(guó)上尚不完善,其存在的問(wèn)題如下:如何在保證水斗水力性能的前提下實(shí)現(xiàn)水斗的整體數(shù)控加工;如何進(jìn)行水斗插銑加工穩(wěn)定性預(yù)測(cè)進(jìn)而優(yōu)化銑削參數(shù);如何解決水斗插銑過(guò)程超長(zhǎng)刀柄(長(zhǎng)徑比最高可達(dá)1:20)的加工顫振問(wèn)題進(jìn)而提高水斗加工效率和質(zhì)量,本文針對(duì)這些問(wèn)題開展了如下研究。為實(shí)現(xiàn)面向制造的水斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化,針對(duì)斗型線與射流相互作用展開了基于CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))的數(shù)值模擬分析,優(yōu)化了水斗的水力性能。同時(shí),也展開了水斗型面及水斗根部曲率均勻度、斗根深度和斗根厚度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使得水斗設(shè)計(jì)即滿足水力性能和強(qiáng)度特性,同時(shí)又能具有較好的數(shù)控加工工藝性。通過(guò)全部水斗根部結(jié)構(gòu)優(yōu)化,水斗綜合應(yīng)力、交變應(yīng)力都有了大幅度降低。針對(duì)水斗插銑加工時(shí)刀具長(zhǎng)徑比大易產(chǎn)生切削振動(dòng)問(wèn)題,進(jìn)行了切削力預(yù)報(bào)及切削動(dòng)力學(xué)方面的研究。基于切削原理建立了插銑切削力預(yù)測(cè)模型,通過(guò)與有限元分析結(jié)果比對(duì)和實(shí)際切削驗(yàn)證,該模型具有較高的預(yù)測(cè)精度;基于振動(dòng)理論建立了插銑加工顫振三維穩(wěn)定域方程,得到了影響水斗插銑加工過(guò)程各因素對(duì)加工穩(wěn)定性的影響規(guī)律,上述工作為水斗的插銑加工工藝的優(yōu)化提供了手段。根據(jù)水斗結(jié)構(gòu)和插銑加工工藝性特點(diǎn),建立了刀柄振動(dòng)解析模型,采用有限元方法研究了刀柄幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、帶孔及錐柄結(jié)構(gòu)、刀柄材料等因素對(duì)刀柄變形和振動(dòng)影響規(guī)律,研制了新型結(jié)構(gòu)的抑振刀柄,經(jīng)實(shí)際切削加工應(yīng)用證明該刀柄具有較好的抑振效果,此項(xiàng)工作對(duì)大長(zhǎng)徑比切削加工及其刀具設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)水斗插銑過(guò)程中切削厚度的解析計(jì)算,從加工效率優(yōu)先的角度實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪數(shù)控加工的區(qū)域規(guī)劃。針對(duì)沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在整體加工過(guò)程中的關(guān)鍵工藝問(wèn)題提出了優(yōu)化的解決方案。實(shí)際加工效果表明,采用此工藝加工出的水斗質(zhì)量和效率都處于領(lǐng)先水平,此研究結(jié)果可為整體轉(zhuǎn)輪數(shù)控加工產(chǎn)業(yè)化提供了重要的技術(shù)支撐。通過(guò)綜合考慮水斗轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵問(wèn)題,集成研究成果形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新工藝,為我國(guó)水輪機(jī)組整體轉(zhuǎn)輪的高效高品質(zhì)數(shù)控加工提供了理論指導(dǎo)及實(shí)用技術(shù)支持。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TK735
【部分圖文】：

其中e 為切入角度，s 為切出角度，R為刀具半徑，ea 為徑向切削深度，S 為水平方向步距。maxcosarctan( ) arcsin2zeR s sR a R （5-1）式中：max——瞬時(shí)切屑厚度最大值對(duì)應(yīng)的刀齒切入角；z ——刀齒處于切出位置時(shí)與 X 軸的夾角。在此，為了計(jì)算切屑的徑向厚度，需要將刀齒工作情況分為兩種.第一種情況： max:i e ，i 取值介于零和max 之間。 max: sini e c i t s （5-2）ct 為切屑的徑向厚度第二種情況 max:i s ， 取值介于最大值和零之間。 max:cosei s ci ra t R R （5-3）上式中r 為切入瞬時(shí)刃口與 Y 軸之間的夾角。5.1.1.2 刀具旋轉(zhuǎn)一周的切削體積a 以及步進(jìn) 的函數(shù)。通過(guò)分析插

圖 5-6 切削厚度的計(jì)算Fig.5-6 Calculation of cutting thickness= arccoseaαR（sinch = R - R α（相鄰兩刀之間殘留面積Ac

其中e 為切入角度，s 為切出角度，R為刀具半徑，ea 為徑向切削深度，S 為水平方向步距。maxcosarctan( ) arcsin2zeR s sR a R （5-1）式中：max——瞬時(shí)切屑厚度最大值對(duì)應(yīng)的刀齒切入角；z ——刀齒處于切出位置時(shí)與 X 軸的夾角。在此，為了計(jì)算切屑的徑向厚度，需要將刀齒工作情況分為兩種.第一種情況： max:i e ，i 取值介于零和max 之間。 max: sini e c i t s （5-2）ct 為切屑的徑向厚度第二種情況 max:i s ， 取值介于最大值和零之間。 max:cosei s ci ra t R R （5-3）上式中r 為切入瞬時(shí)刃口與 Y 軸之間的夾角。5.1.1.2 刀具旋轉(zhuǎn)一周的切削體積a 以及步進(jìn) 的函數(shù)。通過(guò)分析插
【參考文獻(xiàn)】

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