標準麻花鉆后刀面干涉的仿真

2011-09-26 05:54:58申濤,盧秉亮,李明穎,張偉,丁金華

大連工業大學學報 2011年6期

申濤, 盧秉亮, 李明穎, 張偉, 丁金華

( 1.大連工業大學機械工程與自動化學院, 遼寧大連 116034;2.東北財經大學管理科學與工程學院, 遼寧大連 116025 )

0 引言

麻花鉆在鉆削過程中可能存在后刀面干涉現象,即麻花鉆的后刀面與已加工表面發生劇烈摩擦,這樣不但影響孔的加工質量,而且使加工表面產生加工硬化導致后續切削力增大,刀具磨損加快,甚至發生斷刀現象[1]。因此,預測麻花鉆后刀面在鉆削過程中是否存在干涉是非常必要的。動態仿真是比較有效的方法。目前,對于麻花鉆的三維仿真主要是針對麻花鉆各種幾何形狀的仿真[2-3],而對于麻花鉆在切削過程中后刀面干涉的仿真相對較少。現在三維仿真軟件有許多,如PRO/E、UG、SolidWorks等。由于PRO/E具有參數化建模的功能,作者選用PRO/E軟件對麻花鉆及其在鉆削過程中的運動軌跡進行仿真。

1 基于PRO/E的標準麻花鉆三維仿真

1.1 麻花鉆前刀面的創建

1.1.1 麻花鉆參數的創建

在PRO/E中創建9個參數[4-5]:麻花鉆直徑D、半鉆厚RC、螺旋角β、半鋒角β1、刃帶高度L和刃帶寬度L1、圓錐頂點到麻花鉆頂點的距離L2和半圓錐角α(錐面刃磨后刀面法)、麻花鉆后角α1。

1.1.2 軸線與直線刃的創建

在基準平面FRONT上繪制一條軸線,長度為d0。在與FRONT面偏移為半鉆厚RC的基準面DTM1上繪制主切削刃,其長度為d1。主切削刃投影在FRONT面上,上下端點分別與軸線對齊,如圖1所示。輸入這兩條線的約束關系式,以保證兩條線在豎直方向等長。

d0=sqrt(D*D/4-RC*RC)/tanβ1

d1=sqrt(D*D/4-RC*RC)/sinβ1

圖1 軸線與主切削刃

1.1.3 前刀面的創建

前刀面的生成方法是在直線刃上設置一系列等分點,然后畫出各等分點所形成的螺旋線,由這些螺旋線組成麻花鉆的前刀面。

首先在軸線上作11個等分點PNT0～PNT10,在直線刃上作11個等分點PNT11～PNT21,然后在軸線頂點PNT0作一個坐標線CS0(此坐標系z方向沿軸線向下,x方向指向直線刃頂點PNT11)。在PNT0、PNT11兩點間建立距離分析特征ANALYSIS_DISTANCE_1,如圖2所示。

圖2 距離分析特征的建立

在直線刃頂點PNT11上以CS0為坐標系,距離分析特征ANALYSIS_DISTANCE_1為螺旋線半徑,螺旋角為β創建基準曲線(螺旋線),如圖3所示。

在PRO/E中輸入螺旋線方程:

r=ANALYSIS_DISTANCE_1

theta=t*360

z=pi*D/tanβ*t

圖3 主切削刃頂點螺旋線

同理,在軸線其余的10個點PNT1～PNT10上分別作出10個坐標系CS1到CS10,以及與這10個點對應的10個距離分析特征ANALYSIS_DISTANCE_2到ANALYSIS_DISTANCE_11,最后在主切削刃其余的10個點PNT12～PNT21上分別作出10條螺旋線。組成前刀面的11條螺旋線如圖4所示。

圖4 主切削刃上11條螺旋線

1.2 麻花鉆輪廓創建

推導出螺旋槽端截面數學模型并仿真出截面,以螺旋槽截面為掃描截面,11條螺旋線為掃描軌跡,掃描出麻花鉆的輪廓。

1.2.1 螺旋槽端截面的數學模型

麻花鉆螺旋槽端截面的二維示意圖如圖5所示(水平方向為Y軸,垂直方向為X軸)。

圖5 螺旋槽端截面示意圖

曲線GA、DB和EF均為以點O為中心的圓弧段,曲線DE可看成直線。為使切屑易于從螺旋槽內排出,麻花鉆螺旋槽應該是一光滑曲面,因此它的兩個組成部分——前刀面螺旋槽和溝背螺旋槽應該是光滑連接的,它們在接合處應有相同的法線和切平面,故它們在端截面內的曲線也是光滑連接,在連接點有公共的切線且共同切于基圓上,即曲線AC與CB光滑連接,且都與基圓相切于點C。為方便研究,溝背螺旋槽在端截面內的曲線AC可看成圓弧,且與基圓相切于點C；曲線CB的方程應根據前刀面成形原理求出[4]。

端截面中曲線CB的數學方程為

式中,ρ0為鉆頭原始結構半頂角;β0為鉆溝螺旋角;r0為鉆芯半厚;R0為鉆頭半徑;t為參數,其取值范圍:

令t在其取值范圍內取相同長度的若干點,即得到曲線CB上的若干點,將其依次連接,可擬合成曲線CB。

1.2.2 麻花鉆輪廓的創建

在PRO/E中輸入麻花鉆的螺旋槽截面數學模型,形成如圖6所示的截型圖。