Pro/E行为建模技术在拉削式丝锥设计中的应用

李云,赵敬云

河南工学院工业设计中心

1 引言

CAD三维软件大多基于特征技术建立模型,除了公共交换模式STL、STP之外,三维造型的每个步骤均为基本特征的积累过程,在特征树内部体现最为明显。造型是将复杂的造型分解成基本特征的积分过程。可以使用简单的参数控制每个基本特征形状,参数的准确与否决定了三维设计是否成功。这种设计方法非常适合于组合体建模,各特征之间的参数没有直接联系,可以独立完成每个特征。

在设计目标驱动参数的传统建模过程中,采用逼近法不断修改设计参数,基本过程为:根据设计要求采用某个尺寸构建模型,根据得到的结果与目标比较来调整高度。这样调整的幅度越来越小,结果也越来越逼近,直到逼近的结果和目标的小偏差在允许范围内,这种设计方法也称为迭代法。显然,迭代法是不断地进行重复性劳动,通过判断逐渐逼近设计目标所需时间很长,当目标变化时,这种重复性劳动还会继续,对设计效率影响较大。

行为建模和传统的参数化建模区别:传统的建模是运用参数变量来驱动目标,要达到最佳的设计要求,就需不断地尝试修改参数变量以逼近最佳的设计目标[1];行为建模是目标驱动设计变量来达到设计要求,将尝试工作交给设计软件来完成,设计人员仅需给出设计目标和参数变量的范围即可。

行为建模采用计算机代替重复的劳动,使用时仅需要输入设计目标和允许变化的参数和其变化的范围,软件便可以根据条件进行自动求解,并把求解信息反馈回给用户,这就是行为建模(BMX)的基本过程[2]。

2 利用Pro/E对产品进行行为建模

Pro/E行为建模设计一般分为三个步骤:

①建立包含设计目标的参数化特征,根据设计目标对设计部件三维造型,建立参数化模型,包括设计目标的基本属性以及反映模型数值的参数分析特征结果。

②进行敏感度分析,确定目标值的可行域。敏感度分析就是确定目标值的可行域,利用目标函数的极值计算将变量缩小到一个合适的取值范围内,软件计算过程是连续非离散型,所以变量范围越大,计算时间就越长,甚至无法得到所指定的目标值,可见确定变量的可行域在进行优化分析时相当重要。

③进行可行性/优化分析,得到设计目标。可行性是指达到目标值时,变量在指定范围内有一个局部最优解,局部最优解对解决当前设计方案可行,可能不是最佳的;优化分析则是搜寻到解决方案时,计算机还会继续搜寻可以满足解决方案的更多值,以求得满足解决方案的最佳解,而且最佳解在指定的可行域范围内。

3 行为建模在拉削式丝锥设计中的应用

行为建模根据设计对象迭代计算,优化设计变量从而快速求解,在解决体积、质量计算方面具有一定优势。以拉削式丝锥设计过程为例,说明行为建模技术在解决质量问题的应用。

已知滚珠丝杠螺纹32×10(左),螺纹长度60mm,材料20CrMnTi,应用设备为数控车床,柄部结构按标准设计滚珠螺母拉削丝锥。

3.1 选择拉削式丝锥切削参数

前角γ:前角的大小决定切屑变形程度。通常前角大切削刃锋利,被加工表面粗糙度低,切削力较小切削轻快,切削刃磨损较快,耐用度低,一般加工软材料时前角取值较大,也可通过实验来确定。

切削锥后角α0:一般用铲磨量k来表示,且后角的大小对工件与刀具后面发生摩擦影响很大。后角越大,摩擦越小,但刃口强度减弱。

(1)

式中,k为铲磨量;d为校准部分直径;z为槽数。

选取合适的容屑槽数、槽型、槽底直径和刃背宽度是保证丝锥工作时排屑流畅、切屑不堵塞、切削轻快导向性好,且中途退出时不产生反切又有足够强度的必要条件[3]。

常用槽型见图1,有足够的容屑空间以及槽中曲线圆滑连接排屑流畅。槽底直径(芯部直径)不能过小,否则会影响丝锥强度;而槽底直径过大则会导致容屑空间减少。刃背宽度过窄会影响丝锥的强度工时的稳定性及减少重磨次数,过宽则减少了容屑空间增加丝锥与螺孔壁间的摩擦力,使扭矩增大。滚珠螺纹拉削丝锥的二维设计见图2。

图1 拉削式丝锥剖面

图2 滾珠螺纹拉削丝锥设计

3.2 设计目标

设计目标是在满足设计要求以及拉削丝锥产品成型工艺要求的前提下,节材设计初定丝锥的重量控制为2.3kg。

3.2.1 定义材料属性

定义材料属性,根据设计要求选用产品材料为20CrMnTi渗碳钢,含碳量为0.17%～0.24%的低碳钢,CrMnTi是中淬透性渗碳钢,淬透性较高,在保证淬透情况下,具有较高的低温冲击韧性、良好的加工性、加工变形微小以及优异的抗疲劳性能。材料的密度为7.8kg/m3。

3.2.2 按照外形要求设计拉削丝锥

拉削丝锥根据要求进行结构和功能分解,拉削丝锥柄部与导向部紧密相连,与设备或夹具联接,传递扭矩和轴向力,在使用过程中切削平稳。柄部属于基本特征,可直接采用拉伸和旋转造型得到。

拉削丝锥工作部分(刃部)由切削锥及校准部分组成,多条容屑槽形成较多的切削齿,螺旋形容屑槽使切削平稳且排屑流畅。采用螺旋扫描基本造型,全部按照校准锥的牙型得到校准锥形状,根据切削余量采用螺旋扫描的切除方式切除丝锥余量。

容屑槽特征:建立一条螺旋线,螺旋角是丝锥的倾斜角,螺纹基准为容屑槽底径,利用扫描混合命令的切除选项建立一条容屑槽,使用阵列命令得到全部容屑槽。根据丝锥的强度处理等主要工艺参数确定其他结构。

设计完成后的丝锥如图3所示,查询刀具的质量属性,当前容屑槽夹角为46°,当前设计的质量为2.86kg。如图4所示,当前设计结果不能满足设计要求,外观尺寸也不能随意变动,需要更改部分变量并修改设计。

图3 滚珠螺纹拉削丝锥设计

图4 拉削丝锥的质量属性

3.2.3 分析刀具敏感度

通过敏感度分析可以得到目标值和设计变量的关系以及满足目标值时变量可取的范围。

与刀具重量相关的主要参数有Volume:mass_prop_1(重量),Surf_area:mass_prop_1(表面积),Mass:mass_prop_1,ANGLE(容屑槽角度),PROJ_ANGLE(容屑槽法向角度)。通过敏感度分析得到质量与容屑槽角度的关系见图5。

图5 容屑槽与质量的关系曲线

为了更好地分析质量特性,将曲线中的参数导出Excel关系表格,便于定性分析设计参数,如图6所示。通过敏感度分析可以看出,目标值对应的变量范围为2.6～2.7,该范围为求得变量的优化可行域。

图6 质量敏感度曲线

3.2.4 刀具设计变量的可行性分析

通过敏感性分析设计约束后确定变量的可行域,输入变量的取值范围,将设计约束设定为拉削丝锥重量2.3kg。通过软件进行可行性分析,分析变量值为47.3mm,即当容屑槽夹角为47.3°时,拉削丝锥的重量为2.3kg。

3.2.5 添加约束条件

在实际生产中,受拉削丝锥容削槽螺旋角及丝锥前角的影响,在加工容屑槽时不能同时兼顾槽底直径与刃背宽。因此可以把槽底直径作为参考尺寸,添加一个优化目标,在质量为2.6kg时槽底直径最大,所得结果为不定数值,是一组可选变量,然后再添加其它设计变量,优化分析得出解。

将丝锥的槽底直径添加为设计变量,在质量为2.6kg时,以槽底直径作为优化目标,通过计算获得最佳直径值的可行域,直径斜度的可选范围为15～19,此设计的变量范围满足目标值,有可行解且为最优解。

通过优化的收敛图了解计算的迭代过程,在满足设计要求和强度要求的前提下确定当容屑槽夹角为46°时拉削丝锥的重量为2.6kg,如图7所示。

图7 槽底直径影响参数

3.2.6 优化求解

通过可行性分析得出满足设计质量的最佳容屑槽尺寸,如果仅考虑质量单一约束目标,找到设计最优解后,设计分析结束。但是综合设计时还需考虑零件的强度、零件结构形式以及前角后角的设置。

4 结语

Pro/E作为常用的三维设计软件,设计人员更关注基本造型功能,其大量的分析功能(包括行为建模等参数化功能)容易被忽略,可以利用其来提高设计效率。

行为建模的优越性主要体现在:可以将设计意图定义到产品设计过程中,在特征树中添加参数可以得到一个智能化的数字模型,改变设计参数可以直接得到全新的设计。利用行为特性以及敏感性分析确定设计模型后,设计规范自动约束设计结果,设计结果即为可行结果。在满足设计要求的前提下,可以进行结构和性能设计。