标准麻花钻后刀面干涉的仿真

2011-09-26申涛,卢秉亮,李明颖,张伟,丁金华

大连工业大学学报 2011年6期

申涛, 卢秉亮, 李明颖, 张伟, 丁金华

( 1.大连工业大学机械工程与自动化学院, 辽宁大连 116034;2.东北财经大学管理科学与工程学院, 辽宁大连 116025 )

0 引言

麻花钻在钻削过程中可能存在后刀面干涉现象,即麻花钻的后刀面与已加工表面发生剧烈摩擦,这样不但影响孔的加工质量,而且使加工表面产生加工硬化导致后续切削力增大,刀具磨损加快,甚至发生断刀现象[1]。因此,预测麻花钻后刀面在钻削过程中是否存在干涉是非常必要的。动态仿真是比较有效的方法。目前,对于麻花钻的三维仿真主要是针对麻花钻各种几何形状的仿真[2-3],而对于麻花钻在切削过程中后刀面干涉的仿真相对较少。现在三维仿真软件有许多,如PRO/E、UG、SolidWorks等。由于PRO/E具有参数化建模的功能,作者选用PRO/E软件对麻花钻及其在钻削过程中的运动轨迹进行仿真。

1 基于PRO/E的标准麻花钻三维仿真

1.1 麻花钻前刀面的创建

1.1.1 麻花钻参数的创建

在PRO/E中创建9个参数[4-5]:麻花钻直径D、半钻厚RC、螺旋角β、半锋角β1、刃带高度L和刃带宽度L1、圆锥顶点到麻花钻顶点的距离L2和半圆锥角α(锥面刃磨后刀面法)、麻花钻后角α1。

1.1.2 轴线与直线刃的创建

在基准平面FRONT上绘制一条轴线,长度为d0。在与FRONT面偏移为半钻厚RC的基准面DTM1上绘制主切削刃,其长度为d1。主切削刃投影在FRONT面上,上下端点分别与轴线对齐,如图1所示。输入这两条线的约束关系式,以保证两条线在竖直方向等长。

d0=sqrt(D*D/4-RC*RC)/tanβ1

d1=sqrt(D*D/4-RC*RC)/sinβ1

图1 轴线与主切削刃

1.1.3 前刀面的创建

前刀面的生成方法是在直线刃上设置一系列等分点,然后画出各等分点所形成的螺旋线,由这些螺旋线组成麻花钻的前刀面。

首先在轴线上作11个等分点PNT0～PNT10,在直线刃上作11个等分点PNT11～PNT21,然后在轴线顶点PNT0作一个坐标线CS0(此坐标系z方向沿轴线向下,x方向指向直线刃顶点PNT11)。在PNT0、PNT11两点间建立距离分析特征ANALYSIS_DISTANCE_1,如图2所示。

图2 距离分析特征的建立

在直线刃顶点PNT11上以CS0为坐标系,距离分析特征ANALYSIS_DISTANCE_1为螺旋线半径,螺旋角为β创建基准曲线(螺旋线),如图3所示。

在PRO/E中输入螺旋线方程:

r=ANALYSIS_DISTANCE_1

theta=t*360

z=pi*D/tanβ*t

图3 主切削刃顶点螺旋线

同理,在轴线其余的10个点PNT1～PNT10上分别作出10个坐标系CS1到CS10,以及与这10个点对应的10个距离分析特征ANALYSIS_DISTANCE_2到ANALYSIS_DISTANCE_11,最后在主切削刃其余的10个点PNT12～PNT21上分别作出10条螺旋线。组成前刀面的11条螺旋线如图4所示。

图4 主切削刃上11条螺旋线

1.2 麻花钻轮廓创建

推导出螺旋槽端截面数学模型并仿真出截面,以螺旋槽截面为扫描截面,11条螺旋线为扫描轨迹,扫描出麻花钻的轮廓。

1.2.1 螺旋槽端截面的数学模型

麻花钻螺旋槽端截面的二维示意图如图5所示(水平方向为Y轴,垂直方向为X轴)。

图5 螺旋槽端截面示意图

曲线GA、DB和EF均为以点O为中心的圆弧段,曲线DE可看成直线。为使切屑易于从螺旋槽内排出,麻花钻螺旋槽应该是一光滑曲面,因此它的两个组成部分——前刀面螺旋槽和沟背螺旋槽应该是光滑连接的,它们在接合处应有相同的法线和切平面,故它们在端截面内的曲线也是光滑连接,在连接点有公共的切线且共同切于基圆上,即曲线AC与CB光滑连接,且都与基圆相切于点C。为方便研究,沟背螺旋槽在端截面内的曲线AC可看成圆弧,且与基圆相切于点C；曲线CB的方程应根据前刀面成形原理求出[4]。

端截面中曲线CB的数学方程为

式中,ρ0为钻头原始结构半顶角;β0为钻沟螺旋角;r0为钻芯半厚;R0为钻头半径;t为参数,其取值范围:

令t在其取值范围内取相同长度的若干点,即得到曲线CB上的若干点,将其依次连接,可拟合成曲线CB。

1.2.2 麻花钻轮廓的创建

在PRO/E中输入麻花钻的螺旋槽截面数学模型,形成如图6所示的截型图。