申请/专利权人：赵家立

申请日：2021-04-30

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN113202493B

主分类号：E21D9/10

分类号：E21D9/10;G06F30/17;G06F30/23;B21D28/24;B21H1/06;B21J5/00;B21J5/02;B21K11/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2021.08.20#实质审查的生效;2021.08.03#公开

摘要：本发明涉及一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法，所述的变截面的盘形滚刀刀圈包括刀身和刀刃，所述的刀身为规则的环形标准回转体，所述的刀刃在刀身的外圈，刀刃为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。所述的设计与制造方法，包括通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模，基于CAE有限元模拟仿真实验与分析，得到变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型，通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，得到最佳生产制造工艺参数方案。本发明提高了刀圈破坏岩石的性能，从而提升了刀圈的工作效率；减少了刀圈的失效概率，延长了刀圈的寿命。

主权项：1.一种变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步、通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模，得到参数化变截面刀圈设计模型；包括如下步骤：步骤一：设计刀身部分回转体，设计参数表中Ri、H、S这三个参数为装配尺寸，其中Ri为刀圈内径尺寸，H为刀身轴向高度，S为刀身径向宽度，即刀肩宽度；绘制方法：在三维CAD软件中创建草图1，在草图1中绘制矩形与竖直的回转轴，矩形靠近回转轴的边到回转轴的距离为Ri，长度为H，与对边的间距为S，创建回转特征，回转360度形成刀身回转体；步骤二：设计刀刃部分中间截面，设计参数表中Ro、T、A、B这四个参数为截面轮廓特征尺寸，其中Ro为刀圈外径，T为中间截面刀刃宽度，A为中间截面刀刃角度，B为中间截面刀肩角度；绘制方法：创建草图2，使草图2与草图1重合，在草图2中绘制竖直回转轴，与草图1中回转轴重合，以草图1中远离回转轴的矩形边线所在直线为底边绘制高等腰三角形，高等腰三角形的顶角角度为A，在高三角形内绘制一条平行于回转轴的线段切割高三角形，切割线段长度为T，线段到回转轴的距离为Ro；以草图1中远离回转轴的矩形边为底边，顶角角度为B绘制矮等腰三角形；两三角形的方向相同、底边在同一直线上、中垂线在同一直线上，两三角形相交，相交所成夹角处倒圆角，删除轮廓内外多余的线段，得到刀刃部分中间截面；步骤三：设计刀刃部分的最大截面与最小截面，设计参数表中Tmax、Amax、Bmax、Tmin、Amin、Bmin这六个参数为轮廓特征尺寸，其中Tmax为最大截面刀刃宽度，Amax为最大截面刀刃角度，Bmax为最大截面刀肩角度，Tmin为最小截面刀刃宽度，Amin为最小截面刀刃角度，Bmin为最小截面刀肩角度；建立关系表达式： ；ΔT为刀刃宽变化幅度，ΔA为刀刃角变化幅度，ΔB为刀肩角变化幅度；绘制方法：以草图2为模板分别创建草图3、草图4，在草图3中使用Tmax、Amax、Bmax替换T、A、B，在草图4中使用Tmin、Amin、Bmin替换T、A、B得到刀刃部分最大截面与最小截面；步骤四：设计刀刃部分变化规律，设计参数表中ω、γ这两个参数为变化规律，其中ω为变化频率，即刀圈转动一周时所经历的完整的变化次数，取值为正整数，γ为变化周期，即刀圈的刀刃部分沿着圆周方向经历一次完整的变化时，外径圆弧长度或该圆弧的弧度数或该圆弧的角度；建立关系表达式：γ为角度时，γ=360°ω；绘制方法：以草图1中回转轴为中心线，将草图2进行360°内等间距圆周阵列2*ω个；将草图3沿着草图1中回转轴为中心线转动γ4角度，然后将其以草图1的回转轴为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；将草图4沿着草图1中回转轴为中心线与草图3反方向转动γ4角度，然后将其以草图1的回转轴为中心线，进行360°内等间距圆周阵列ω个；步骤五：沿圆周方向依次选取各截面进行封闭式多截面扫掠成实体，布尔组合刀刃与刀身，或者在草图中组合绘制刀刃与刀身之后进行扫掠，得到参数化变截面刀圈设计模型；第二步、基于不同类型岩石的力学特征进行不同变截面刀圈与不同岩石的滚压过程的CAE有限元模拟仿真实验与分析，得到适应不同岩石种类的变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型；包括以下步骤：步骤一：采用有限元分析的方法，制作变截面刀圈滚压岩石滚动一周的动态仿真模型，并求解应力场历程；求解方法：在有限元分析软件中绘制长方体作为岩石模型，长度为刀圈周长2πRo，宽度和高度为长度的三分之一，材料特性选用不同种类的岩石力学特征参数；导入第一步中CAD创建的变截面刀圈设计模型，设定为刚体；预装配刀圈与岩石，设定运动约束条件，网格化模型，求解得到刀圈滚压岩石一周时，各种力学场的历程数据；步骤二：建立评价标准，以应力分布区域的体积大小衡量破坏效果；求解方法：在上一步的结果中选取应力场的历程输出，截取应力云图中应力大于等于岩石抗拉强度的岩石体积，即破坏体积，公式中以V表示，单位为mm3；步骤三：使用多种岩石与多种参数变截面刀圈进行正交实验，得到多组变量数列；求解方法：以变截面刀圈的变化特征参数与岩石力学特征参数为因素，分别取多个水平值，进行多组仿真实验，以破坏体积为评价标准，选取离散最优矩阵；步骤四：使用步骤三中的数列进行多元线性回归分析，得到岩石参数与变截面刀圈参数的函数表达式；求解方法：将变截面刀圈的变化特征参数作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出各变量系数与系统常数；将岩石的饱和单轴抗压强度与抗拉强度作为自变量，岩石的破坏体积为因变量，进行回归分析，得出岩石参数的系数，建立函数表达式： ；其中a、b、c、d为变截面刀圈的特征参数的系数，k为岩石参数的系数，C为系统常数，ω为变截面刀圈的变化频率，单位为Hz，ΔT为刀刃宽变化幅度，单位为mm，ΔA为刀刃角变化幅度，单位为°，ΔB为刀肩角变化幅度，单位为°，V为岩石破坏体积，单位为mm3，σc为岩石饱和单轴抗压强度，单位为MPa，σt为岩石抗拉强度，单位为MPa；步骤五、采用遗传算法，规定各变量取值边界条件，输入某隧道项目地质勘查报告中岩石力学特性参数，求变截面刀圈特征参数的最优解；步骤六、将步骤五中的最优解输入CAD参数化表格，得到针对某隧道的最优变截面刀圈的模型；第三步、通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，求得最佳生产制造工艺参数方案，包括以下步骤：步骤一：根据最优变截面刀圈的模型求解材料质量，设计锻压模具；步骤二：根据模型质量、锻压模具形状、机械加工余量对锻压毛坯圆环的工艺参数进行优化求解，锻压毛坯圆环的工艺参数包括锻压毛坯圆环的尺寸、锻压温度、锻压力；步骤三：根据锻压毛坯圆环的尺寸、模型质量对辗环毛坯的工艺参数进行优化求解，辗环毛坯的工艺参数包括辗环毛坯的尺寸、辗环温度、辗环力、辗环转速；步骤四：根据辗环毛坯的尺寸对冲孔毛坯的工艺参数进行优化求解，冲孔毛坯的工艺参数包括冲孔毛坯的尺寸、冲压温度、冲压力；步骤五：根据上述步骤结果得到冲孔毛坯尺寸，即下料尺寸，并制定针对某隧道的变截面刀圈的最优锻造工艺参数，得到最佳生产制造工艺参数方案。

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百度查询： 赵家立 一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法

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