李明穎,申濤,王德權(quán)

(1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院,遼寧大連 116034;2.大連理工大學機械學院,遼寧大連116024)

0 引言

由于計算機及微處理機的愈來愈廣泛的應(yīng)用,使得計算機對鉆頭進行數(shù)學分析成為可能。三維軟件的產(chǎn)生,給機械設(shè)計帶來了革命性的發(fā)展,現(xiàn)已應(yīng)用在機械設(shè)計及分析的方方面面[1]。用三維軟件對麻花鉆進行設(shè)計分析也成為對麻花鉆研究的重點之一。麻花鉆的幾何角度在切削過程中起著至關(guān)重要的地位,它直接影響加工的產(chǎn)品質(zhì)量和精度,麻花鉆的切削性能及刀具的使用壽命,因此對麻花鉆角度的測量具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的手工計算角度既費時,也不直觀[2]。所以建立一種可以直觀且快捷的測量出麻花鉆角度的三維仿真模型是很有必要的。本文所使用的PRO/E三維仿真軟件具有參數(shù)化設(shè)計功能,并且可以創(chuàng)建出測量角度的仿真模型[3]。所以本文所創(chuàng)建的仿真測量模型是建立在 PRO/E三維仿真軟件上的。

1 基于 PRO/E的標準麻花鉆三維仿真

本文所創(chuàng)建的標準麻花鉆的三維仿真模型具有 9個參數(shù),分別為：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。通過改變這些參數(shù)可以得到不同結(jié)構(gòu)形狀的麻花鉆[4]。

下面具體介紹一下用 PRO/E創(chuàng)建標準麻花鉆三維模型的過程：

(1)繪制麻花鉆的軸線和主切削刃

在基準平面 FRONT上繪制一條軸線,其長度為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。如圖 1所示。

圖 1 軸線與主切削刃

為了保證兩條線在豎直方向等長,須在 PRO/E的關(guān)系中確定這兩條線的約束關(guān)系式。

約束關(guān)系式如下：

(2)繪制主切削刃上 11條螺旋線

在軸線上做 11個等分點 PNT0到 PNT10,再在直線刃上做 11個等分點 PNT11到 PNT21,然后在軸線頂點 PNT0做一個坐標線 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。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(chuàng)建基準曲線(螺旋線)。如圖 2所示。

圖 2 主切削刃頂點螺旋線

在 PRO/E中輸入螺旋線方程：

同理在主切削刃上剩余的10個點PNT12到PNT21上分別做出另外的 10條螺旋線。如圖 3所示。

圖 3 主切削刃上 11條螺旋線

(3)麻花鉆輪廓的成型

在經(jīng)過直線刃頂點PNT11的螺旋線的底部端點做一個垂直軸線的基準平面 DTM2,從而得到這個平面與11條螺旋線的 11個交點 PNT22到 PNT32。如圖 4所示,然后在基準平面 DTM 2上做出經(jīng)過 PNT22到 PNT3211個交點的麻花鉆截面。如圖 5所示。

最后通過截面,以軸線為垂直軌跡和 11條螺旋線為掃描軌跡,掃描出麻花鉆的輪廓。如圖 6所示。

圖 6 麻花鉆輪廓

(4)麻花鉆后刀面的形成

過主切削刃做一個錐面,此錐面含有圓錐頂點到麻花鉆頂點的距離 L2和半圓錐角 α這兩個參數(shù)。如圖7a所示。

把這個錐面旋轉(zhuǎn)一個角度,形成后角,由此形成麻花鉆后角 α1。如圖 7b所示。

把后刀面的上面切除,同理做出另一個后刀面,也切除其上面,形成最后實體。如圖 7c所示。

圖 7 麻花鉆錐面的形成、旋轉(zhuǎn),切除實體

2 編寫 PRO/E參數(shù)輸入界面

完成標準麻花鉆三維仿真模型后,再在 PRO/E中編寫參數(shù)輸入界面程序,程序在工具欄的工具 →程序中編寫。

程序如下：

編完程序后就可以在打開 PRO/E后通過界面輸入麻花鉆參數(shù),如圖 8所示。

圖 8 參數(shù)輸入界面

3 標準麻花鉆直線刃角度的測量

(1)直線刃圓周后角的測量

在直線刃上任取一點 A,再在經(jīng)過 A點且與麻花鉆軸線垂直的平面內(nèi),繪制一個圓心在麻花鉆軸線上且通過點A的圓 1;然后將這個圓投影到麻花鉆的后刀面上,得到投影曲線 2。這樣圓1與投影曲線 2之間的夾角就是所要求的直線刃圓周后角。如圖9所示,最后建立此圓周后角的分析特征 ANALYSIS_ANGLE_1。如圖 10所示。

(2)直線刃主前角的測量

在直線刃上任取一點 A,再在經(jīng)過 A點和麻花鉆軸線做一個基準面 1(基面);將直線刃投影到基準面上得到投影線 B;然后作一個經(jīng)過 A點且垂直投影線 B的基準面 2(主剖面)。作出主剖面與麻花鉆前刀面的交線 1和與基面的交線 2,這樣這兩條交線的夾角即為所求的主前角。如圖 11,并建立此前角的分析特征ANALYSIS_ANGLE_2。如圖 12所示。

標準麻花鉆直線刃主前角理論計算公式[5]

其中：βx—直線刃上選定點的螺旋角;

kx—直線刃上選定點的主偏角;

λx—直線刃上選定點的端面刃傾角;

rx—直線刃上選定點的半徑。

為了驗證此測量模型的精確性,在直線刃上取了8個點,分別計算出各主前角的理論值,并與相對應(yīng)的測量值進行比較。(設(shè)麻花鉆參數(shù)為麻花鉆直徑 D=40、半鉆厚 RC=2、螺旋角 β=30、半鋒角 β1=59)

其結(jié)果如表 1所示。

表 1 理論值和測量值

通過上表可以看出主前角的測量值與理論值相比,誤差在一個比較小的范圍內(nèi),要想提高精度,可以再增加主切削刃上螺旋線的個數(shù)。

4 結(jié)束語

通過上述,本文所創(chuàng)建的三維仿真模型能夠把測量角度的誤差控制在很小的范圍內(nèi),可以應(yīng)用在實際生產(chǎn)測量中。本仿真軟件優(yōu)點在于既可以直觀的看出標準麻花鉆的結(jié)構(gòu)形狀,也可以在麻花鉆的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下,快速測量出直線主切削刃上的各角度值,可以有效的替代傳統(tǒng)的手工計算,提高了工作效率。

[1]王磊,王貴成,馬利杰.標準麻花鉆三維實體模型的創(chuàng)建[J].工具技術(shù),2001,41(6)：75-78.

[2]張普禮,劉惠.麻花鉆錐面磨削方法數(shù)學模型的建立[J].機電工程技術(shù),2004,33(5)：70-73.

[3]王忠魁.麻花鉆后角的計算與研究[J].工具技術(shù),1993,27(1)：13-17.

[4]白亞江,杜云芝.麻花鉆鉆削過程的有限元動態(tài)仿真[J].機械科學與技術(shù),20006,25(10)：1144-1146.

[5]王勇,胡曉兵,王榮,等.基于SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)的麻花鉆參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)研究[J].工具技術(shù),2006,43(2)：50-53.