李明穎,申濤,王德權(quán)

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧大連 116034;2.大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院,遼寧大連116024)

0 引言

由于計(jì)算機(jī)及微處理機(jī)的愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用,使得計(jì)算機(jī)對(duì)鉆頭進(jìn)行數(shù)學(xué)分析成為可能。三維軟件的產(chǎn)生,給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的發(fā)展,現(xiàn)已應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)及分析的方方面面[1]。用三維軟件對(duì)麻花鉆進(jìn)行設(shè)計(jì)分析也成為對(duì)麻花鉆研究的重點(diǎn)之一。麻花鉆的幾何角度在切削過(guò)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(duì)麻花鉆角度的測(cè)量具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的手工計(jì)算角度既費(fèi)時(shí),也不直觀[2]。所以建立一種可以直觀且快捷的測(cè)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(jì)功能,并且可以創(chuàng)建出測(cè)量角度的仿真模型[3]。所以本文所創(chuàng)建的仿真測(cè)量模型是建立在 PRO/E三維仿真軟件上的。

1 基于 PRO/E的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆三維仿真

本文所創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的三維仿真模型具有 9個(gè)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(diǎn)到麻花鉆頂點(diǎn)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)麻花鉆三維模型的過(guò)程：

(1)繪制麻花鉆的軸線和主切削刃

在基準(zhǔn)平面 FRONT上繪制一條軸線,其長(zhǎng)度為d0。在與 FRONT面偏移為半鉆厚RC的基準(zhǔn)面 DTM1上繪制主切削刃,其長(zhǎng)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(zhǎng),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(gè)等分點(diǎn) PNT0到 PNT10,再在直線刃上做 11個(gè)等分點(diǎn) PNT11到 PNT21,然后在軸線頂點(diǎn) PNT0做一個(gè)坐標(biāo)線 CS0(此坐標(biāo)系 z方向沿軸線向下,x方向指向直線刃頂點(diǎn) PNT11)。在 PNT0、PNT11兩點(diǎn)間建立距離分析特征 ANALYSIS_DISTANCE_1。在直線刃頂點(diǎn) PNT11上以 CS0為坐標(biāo)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(zhǔn)曲線(螺旋線)。如圖 2所示。

圖 2 主切削刃頂點(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(guò)直線刃頂點(diǎn)PNT11的螺旋線的底部端點(diǎn)做一個(gè)垂直軸線的基準(zhǔn)平面 DTM2,從而得到這個(gè)平面與11條螺旋線的 11個(gè)交點(diǎn) PNT22到 PNT32。如圖 4所示,然后在基準(zhǔn)平面 DTM 2上做出經(jīng)過(guò) PNT22到 PNT3211個(gè)交點(diǎn)的麻花鉆截面。如圖 5所示。

最后通過(guò)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(guò)主切削刃做一個(gè)錐面,此錐面含有圓錐頂點(diǎn)到麻花鉆頂點(diǎn)的距離 L2和半圓錐角 α這兩個(gè)參數(shù)。如圖7a所示。

把這個(gè)錐面旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(gè)后刀面,也切除其上面,形成最后實(shí)體。如圖 7c所示。

圖 7 麻花鉆錐面的形成、旋轉(zhuǎn),切除實(shí)體

2 編寫(xiě) PRO/E參數(shù)輸入界面

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

程序如下：

編完程序后就可以在打開(kāi) PRO/E后通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)麻花鉆直線刃角度的測(cè)量

(1)直線刃圓周后角的測(cè)量

在直線刃上任取一點(diǎn) A,再在經(jīng)過(guò) A點(diǎn)且與麻花鉆軸線垂直的平面內(nèi),繪制一個(gè)圓心在麻花鉆軸線上且通過(guò)點(diǎn)A的圓 1;然后將這個(gè)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(cè)量

在直線刃上任取一點(diǎn) A,再在經(jīng)過(guò) A點(diǎn)和麻花鉆軸線做一個(gè)基準(zhǔn)面 1(基面);將直線刃投影到基準(zhǔn)面上得到投影線 B;然后作一個(gè)經(jīng)過(guò) A點(diǎn)且垂直投影線 B的基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)麻花鉆直線刃主前角理論計(jì)算公式[5]

其中：βx—直線刃上選定點(diǎn)的螺旋角;

kx—直線刃上選定點(diǎn)的主偏角;

λx—直線刃上選定點(diǎn)的端面刃傾角;

rx—直線刃上選定點(diǎn)的半徑。

為了驗(yàn)證此測(cè)量模型的精確性,在直線刃上取了8個(gè)點(diǎn),分別計(jì)算出各主前角的理論值,并與相對(duì)應(yīng)的測(cè)量值進(jìn)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(cè)量值

通過(guò)上表可以看出主前角的測(cè)量值與理論值相比,誤差在一個(gè)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(gè)數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述,本文所創(chuàng)建的三維仿真模型能夠把測(cè)量角度的誤差控制在很小的范圍內(nèi),可以應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)測(cè)量中。本仿真軟件優(yōu)點(diǎn)在于既可以直觀的看出標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(jì)算,提高了工作效率。

[1]王磊,王貴成,馬利杰.標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆三維實(shí)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(xué)模型的建立[J].機(jī)電工程技術(shù),2004,33(5)：70-73.

[3]王忠魁.麻花鉆后角的計(jì)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(guò)程的有限元?jiǎng)討B(tài)仿真[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),20006,25(10)：1144-1146.

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