（机械制造及其自动化专业论文）刀具计算机辅助设计和制造的若干问题研究.pdf

一 i 华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 随着现代制造业的发展，金属切削加工越来越呈现出高切除率、高效率、高 自动化的趋势。而刀具是切削加工中的一个关键环节，它直接影响着切削性能的 好坏。目前有关刀具的设计方法基本上都是根据传统的切削理论而进行，这些设 计方法往往效率比较低，设计成本较高，但其具体的切削效果通常无法预测。为 此一我们通过对一种新的刀具切削理论刀具自由切削理论的研究，提出了一 种新的刀具设计方法。此外，针对市场上缺乏自主版权的专用的刀具计算机辅助 制造软件，同时结合课题的要求，我们自主开发了硬质合金刀片的专用计算机辅 助制造软件。 本文首先介绍了刀具计算机辅助设计和制造的国内外研究概况，阐明了课题 提出的目的、意义以及本文所做的工作。接着通过对刀具自由切削理论的介绍和 研究，提出了一种刀具计算机辅助设计的方法；最后通过对硬质合金刀片过渡刃 刀位轨迹求解的分析，开发了专用的刀具计算机辅助制造软件。f 本文的主要创新 l 工作有： 1 按照自由切削理论，提出了一种新的刀具设计方法：根据最小非自由度系 数选择最优刃形，并按照这种思路对麻花钻的刃形进行了离散，推导出一系列求 解非自由度系数的公式，编制出相关的计算程序，并对结果做了分析。 2 分析了三坐标数控磨床加工空间直纹面的刀位轨迹的计算问题，提出了按 照建立不同工件坐标系而得出的两种计算方法，并对其中的计算公式进行了推导。 3 探讨了磨削加工中需解决的其它数学问题，如刀片对中偏移量公式的推 导。 4 按软件工程学的方法，对软件的开发进行了分析。其中选用d e l p h i 与 m a n a b 作为软件开发平台，并给出了两种软件接口的三种方法。按照用户需求、 有关工艺流程以及所选用的数控系统的特点，设计了软件界面，开发出了符合应 用要求的专用刀具计算机辅助制造软件。1 关键词：自由切削j 麻花钻，硬质合金刀片，计算机辅助设计i 计算机辅助制造、 ， ，if， 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e m m a n u f a c t u r i n g ，m o d e mc u r i n gt a k e s o nt h et r e n do fh i g hr e m o v a lr a t e ，e f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o ni n c r e a s i n g l y t o o l sh a v e p l a y e d a n dw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec u t t i n gm a n u f a c t u r i n gb e c a u s eo fi t sg r e a t e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo f c u t t i n g n o w a d a y s ，t o o l sb a s e do n t h et r a d i t i o n a lt h e o r i e s o fc u t t i n ga r ec h i e f l yd e s i g n e d ，w h i c ho f e nl e a d st os o m ep r o b l e m s ，s u c ha sl o w e f f i c i e n c y , h i g hc o s t ，a n du n k n o w a b l ee f f e c to ft o o l sd e s i g n i no r d e rt o s o l v et h e p r o b l e m s ，w es t u d yan e w m e t a lc u t t i n gt h e o r yb a s e do nf r e ec u t t i n ga n d b r i n g f o r w a r d an e wm e t h o do fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ( c a d ) o ft o o l s i na d d i t i o n ，w ed e v e l o pa c o p y r i g h ts o f t w a r eo fc o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ( c a m ) o ft o o l s t om e e tt h e d e m a n d so f m a r k e ta n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h f i r s t ，t h ep a p e rg i v e sas u m m a r yo ft h eb a c k g r o u n da th o m ea n da b r o a di nt h e r e s e a r c hf i e l do fc a da n dc a mo ft o o l sa n d p r e s e n t st h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f s u b j e c t s e c o n d ，an e w m e t h o do ft o o l sc a da r eb r o u g h tf o r w a r d t h r o u g h t h es t u d yt h e f r e ec u t t i n gt h e o r yo ft o o l s l a s t ，ac o p y r i g h ts o r w a r eo ft o o l sc a ma r ed e v e l o p e d t h r o u g hr e s e a c ho f t h em e t h o d sw h i c ha r eu s e dt oc a l c u l a t et h ep o s i t i o no ft o o l sw h e n i tm a c h i n g w o r k p i e e e m a i ni n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r et h ef o l l o w i n g s i a c c o r d i n gt ot h ef r e ec u t t i n gt h e o r y ，an e w m e t h o do ft o o l sc a da r eb r o u g h t f o r w a r d ，t h a ti s ，w o r ko u t t h ed e g r e eo fn o n f r e e d o m a n df i n do u tao p t i m a ls h a p eo f m a i nc u t t i n ge d g e sw h e r e t h ed e g r e eo fn o n f r e e d o m ”i sm i n i m u m w i t ht h em e t h o d ， w ed i s p e r s e dt h em a i nc u t t i n ge d g e so ft w i s td r i l la n do t h e rt w i s ta n dd e d u c e ds o m e f u n d a m e n t a le q u a t i o n sf o r t h ed e g r e eo fn o n - f r e e d o m ”m e a n w h i l e ，w ep r o g r a mt o c a r r yo u tt h em e t h o d a n d a n a l y s e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s 2 t h ep r o b l e mo fm a c h i n i n gr u l e ds u r f a c ei nt h e3 - a x i s g r i n d i n gn u m e r i c a l c o n t r o l ( n c ) m a c h i n ei sa n a l y s e d a n dt w od i f f e r e n tm e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r d w h i c hi sd i f f e r e n to f s e t t i n gu pw o r k p i e c ec o o r d i n a t e s ，t h e na l lt h ee q u a t i o n so fb o t h m e t h o d sa r ed e d u c e d 3 o t h e rp r o b l e m so nt h em a t hi n v o l v e di n g r i n d i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gf o r m u l a ea r ed e d u c e d n i 华中科技大学硕士学位论文 4 a c c o r d i n gt os o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h e s o f t ”a r e w h i c hi su s e dt og r i n dc u t t i n gt o o l sa r ea n a l y s e d t h r e e d i f f e r e n tm e t h o d sb e t w e e n t w o a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，d e l p h ia n dm a t l a b ，w h i c ha r eu s e d t ob es o f t w a r ed e v 。l o p m 。m d 1 a t f o 衄a r ei n t r o d u c e da n db r o u g h tf o r w a r d t h e n t h es p e c i a lc a m s o f t w a r ef o rt o o l 8 g d n d 堍a r cd e v e l o p e d t om e e tt h ed e m a n d so f t h e u s e r s k e y w o r d s ： f r e ec u t t i n g h o m ya l l o y t o o l c a m t 、i s t d r i l l c a d 一一 l n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 1 1 1 课题来源 本课题分为两个部分的研究，分别是刀具计算机辅助设计和计算机辅助制造的 有关问题研究。其中刀具计算机辅助设计研究内容来源于国家自然科学基金资助项 目“自由切削法与自由切削刀具设计理论和方法的研究”，研究重点是自由切削 麻花钻的刃形设计；刀具计算机辅助制造研究内容来源于自贡硬质合金刀具厂的数 控磨床改造，研究重点是刀片外形轮廓的计算机辅助制造。 1 1 2 课题目的 第一部分内容主要是研究刀具切削部分几何形状的新理论，并在该理论的指导 下，建立麻花钴自由切削模型并提出计算其主要参数的算法，根据计算参数设计合 理的刃形，以实现麻花钻自由切削，达到选择最优刃形的目的。 第二部分内容主要是通过专用的硬质合金刀片磨削软件的开发，实现硬质合金 刀片磨削加工的计算机辅助制造，解决实际的工程应用问题。 1 1 3 课题意义 研究表明，金属切削过程可分为自由切削和非自由切削两类。因存在排屑干 涉而必须进行排屑协调的切削过程称为“非自由切削”，几乎所有的实际切削加工 工序都属于非自由切削。而自由切削可以使流屑向量尽可能小干涉，甚至不干涉， 一 这样将能够提高加工效率，增强刀具的耐用度。此外，在复杂刀具如麻花钻的设计 过程中，缺乏明确的理论指导，有时往往是凭经验刃磨刀具的刃形，这使得复杂刀 具的设计工作存在很大的困难。因而如何合理有效地设计出能够实现自由切削的刀 具，将是一个至关重要的问题。一方面，通过对刀具切削部分几何形状设计的研究， 可以促进金属切削刀具设计理论的发展和完善，为复杂刀具的设计提供明确的理论 指导；另一方面可以在该理论的指导下，利用计算机编程进行辅助设计，快速便捷 地优化设计并筛选出能够基本实现自由切削的切削刃形，这使得一些复杂刀具如麻 花钻等的设计周期大大缩短。这一工作也将为刀具的优化改进提供新的方法。 此外，在刀片的制造过程中，数控技术应用十分普遍，这其中的关键问题是如 何保证磨削加工的高效率，数控程序的有效编制。一般数控系统的自动编程功能仅 华中科技大学硕士学位论文 仅适用于通用零件的加工程序编制，加工这些零件的刀位轨迹计算比较简单，一般 不需要三轴联动，因而对于硬质合金刀片这种需要三轴联动加工的特殊零件而言， 同时由于其繁多的种类( 不可能每种刀片均进行自动编程，否则编程的效率太低， 而且可靠性不高) ，开发出能够实现自动编程的专用c a m 软件是非常必要的，也具 有重要的经济价值和实用价值。 1 2 课题研究背景 1 2 1 切削、磨削加工在制造业中的重要作用 制造在人类所有经济活动中占有举足轻重的地位，随着现代工业文明的发展， 制造业成为一个国家国民经济和综合国力的基础。随着知识经济的到来，全球的制 造业再次进入了一个巨大变革的时代。现代制造业已经发展成为效率高、技术创新 能力强、技术和知识密集的工业领域。信息化、服务化、高技术化正在成为现代制 造业发展的趋势p ”。 切削加工技术在机械制造业中处于十分重要的地位。现代切削加工技术以高切 除率、高精度、高度自动化为主要特征，尤其是进入8 0 年代以来，数控机床、组 合机床、柔性制造系统、计算机集成制造系统等自动化生产技术广泛地运用于各种 机械加工领域【4 j ，对切屑控制提出了越来越高的要求。 磨削加工技术在近年来也有了较大发展。随着一些硬、脆材料的广泛应用，对 于这些材料的加工要求越来越高，它们的尺寸往往较小，比较难以加工，但加工精 度要求却一再提高，而且要求高效率的加工。因而对磨削加工技术进行研究，开发 出富有竞争性的磨削制造技术，其潜在的市场和利润将是巨大的。 二十一世纪是信息社会，知识经济的显著特点是产业信息化，制造行业也不例 外，计算机则是信息化中最基本的工具，因而探索计算机在制造行业中的应用正是 目前的热点，也是一个大有可为的领域。 1 2 2 刀具在切削加工中的重要作用 金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何形 状、尺寸精度、表面粗糙度及表面层质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。 从制造行业的特点来看，当机床稳定运行后，刀具的消耗是加工成本中比较重要的 因素f 5 】。事实上，刀具对生产效率、产品质量、成本及环境都有决定性的影响。 采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途 径1 6 j 。刀具材料的改进固然是刀具技术发展的一个主要方向，但在现有的刀具材料 华中科技大学硕士学位论文 的基础上，通过对刀具几何设计改善切削状态也是生产中的一个有效的方法。 1 2 3 切削理论的新进展为新的刀具设计方法奠定基础 我国学者师汉民教授基于最小能量原理，提出了单元刀具非线性综合法【”，成 功解决了复杂刀具设计的建模问题。此外他和他指导的博士闫兴对于非自由切削的 基础理论做了研究，并对自由切削刀具的设计提出了思路【7 】，这使得基于这个理论 的指导，对自由切削刀具进行计算机辅助设计成为可能。 1 2 4 硬质合金刀片磨削c a m 软件开发的背景 四川i 自贡硬质合金刀具厂是一家以生产硬质合金刀片为主要经营项目的厂商， 该厂于二十世纪8 0 年代从德国进口一台数控磨床w a m 3 0 0 ，3 5 0 数控磨床用于 磨削各种可转位硬质合金刀片。随着时间的推移，该机床严重老化，机床的主要传 动部分和电器部分也基本上无法使用，更重要的是该磨床能加工的刀片种类有限， 其n c 程序只适合该厂现有刀片类型中的一部分。目前，该厂有包括车刀和铣刀在 内的各种刀片一百多种，原有程序远远无法满足现在的需求，因而该磨床已基本被 淘汰。鉴于从德国重新进口这样的设备成本太高，此外对于其中数控( n u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 程序部分的开发与维护均十分困难，因此该厂委托我校精密加工课题组对 这台数控磨床进行改造。 由于待加工的刀片种类繁多，加之刀片外形轮廓为空间直纹曲面，需要进行三 轴联动加工，其刀位轨迹的计算比较复杂，其n c 程序难以在数控系统中直接编制， 因而采用p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机开发适合用本课题需要的专用c a m 软件是不 可或缺的。 1 3国内外概况及发展动态 1 3 1 本文研究范畴 本文研究的课题范畴来源于两个不同的科研项目，其中第一部分内容主要是在 刀具自由切削理论的指导下，对刀具进行计算机辅助设计，从而对刀具刃形进行优 化。第二部分内容是在p c 机上开发用于硬质合金刀片磨削加工的专用c a m 软件。 传统的c a d 技术是基于图形处理，用以表达零件的几何形状。这种传统的概 念仅仅限于c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ，但这并非本文讨论的内容，本文讨论的出发 点是一种广义的概念即c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，它包括利用计算机程序或是软件进 行工程绘图、优化设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟等瞄j 。 本文第一部分讨论重点是在自由切削理论的指导下，利用计算机程序对麻花锚 华中科技大学硕士学位论文 的几何形状进行优化设计，而其中有关切削建模和自由切削的理论对于这种类型刀 具的计算机辅助设计有决定性的作用，因此这里主要对刀具切削理论方面的国内外 概括和发展动态加以介绍。 1 3 2 切削建模和自由切削理论的国内外概括和发展动态 早期的研究者主要基于宏观切削试验，研究各种工艺参数对切削的物理过程的 影响，依据实验数据拟合经验公式，如e w t a y l o r 于1 9 0 6 年提出刀具耐用度公式【9 j ， 近代切削理论发展的一个重要转折点是二十世纪四十年代初，m e m e r e h a “”j 发表 了金属切削过程力学的著名论文，开辟了应用数学模型研究切削过程的新途径。随 后，切削模型的研究一直成为切削理论研究的重要课题。e h l e e 、b 1 s h a 位r 、 m c s h o w 、p l b o x l e y “j 等学者为切削模型的发展和完善作出了重要贡献。 关于切削建模，师汉民教授指导的闰兴博士在“自由切削刀具设计理论与方法 的研究及应用”学位论文中口】，详细分析了现代切削建模的两种方法：一是综合法， 即等效刀刃法：二是分解法，即微分刀刃法了。前种方法用一直线等效刀刃代替 实际的复杂形状的刀刃，并基于等效参数应用直角或斜角切削模型建立实际刀具的 切削模型，如m r a h m a n ! j 2 】等应用这种方法建立了考虑刀尖圆弧半径影响的无刃倾 角的切削模型，j a a r e s e c u l a r t n e 1 3 1 等建立了带刃倾角的切削模型。后一种方法是将 实际刀具沿刀刃分解成一系列单元刀具，各刀具具有直线刃，进行斜角切削，分别 计算各单元刀具的状态参数，然后通过求和和积分得到实际刀具的状态参数，如 a r w a t s o n 、d a s t e p h e n s o n “】应用这种方法建立了钻头的三维切削模型。c i r p 的 s t c 切削工作组提出了切削工序的统一建模框架，其原理如图1 1 所示【l ”。 在实际层，通过对实际加工工序的分析，计算切削参数，沿刀刃将实际刀具分 解为有限数目的单元刀具，并计算各单元刀具的几何角度和切削参数。在单元刀具 切削过程分析中，通过选用适当的斜角切削模型，计算单元刀具的状态参数，其中 用到的有关刀具和工件相互作用的动态特性可通过查询切削数据库得到。将各单元 刀具的状态参数通过非线性综合法，得到实际加工工序的状态参数。 但这种方法中的各单元刀具并非是互不影响地各自独立地进行切削，它们之间 存在排屑干涉以及为维系排出切屑的整体形状而进行的排屑协调。如何从理论上定 量描述排屑干涉及排屑协调的规律，这是应用微分刀刃法建立刀具三维切削模型的 核一i i , 问题。我国学者师汉民教授在这个领域作出了开创性工作【l “o 】，他基于最小能 量原理提出了单元刀具非线性综合法，并研究了切屑的整体运动，并提出了非自由 切削下排屑运动的基本方程及其解法。这些研究解决了刀具三维建模的理论指导问 题，成功解决了复杂刀具的建模问题，其指导的博士闰兴等人已成功开发了可基本实 4 j _ i 华中科技大学硕士学位论文 现自由切削的硬质合金刀片。 实际层 单元刀具切 削过程分析 切削数据库 实际：1 d - v - v 序分析 斜角切削的理论模型 刀具：3 - 件的摩擦性质，工 件材料的动态力学性质等 图11 切削工序的统一建模机理 近些年来，刀具的非自由切削理论也有了较大发展。前苏联学者左力夫 ( s o p e b l h ) 等提出了用测量切屑宽度尺寸或测量螺旋管状切屑的螺旋升角来决 定切削流出角：斯坦布勒 2 i 】经过大量的切削试验后提出了流屑角的“斯坦布勒”法 则，即流屑角与切削刃的刃倾角相等；日本的臼井英治认为切屑将沿着受阻力最小 的方向流出：科维尔( c o l w e l l v ) 利用切削刃弦来确定主、副刀刃同时参与切削 时，切屑的流出方向。师汉民教授提出了消除排屑干涉，实现自由切削的充要条件， 并论述了“自由切削法”的基本思想。 麻花钻作为一种结构形状复杂的孔加工刀具，也经历了百余年的发展历程。长 期以来由于制造工艺的局限性及缺乏相关理论的指导，其制造精度和加工性能一直 不理想，近几十年来随着先进的c n c 加工技术的发展，以及相关理论的一些突破， 国内外学者对麻花钻的研究也取得了一些进展。 麻花钻的改进大多数是针对刃沟的廓形，也有一些是针对刃背和刃带部分。其 中出现了几种重要的改进钻头睇刮： 1 ) 等前角钻头：其主刃上各点的前角趋于均匀来设计钻头的刃沟廓形，一般 采用等法前角，但这种钻头难以制造与刃磨，而且外缘处的切削负荷重，磨损快， 钻芯部分很尖，容易崩刃。 2 ) 径向刃钻头：当端面刃倾角等于零度时，可使得切削厚度沿主刃上均匀分 布，可改善钻头切削刃上各点的负荷特性，这时主刃形状为沿径向的圆周切削刃。 径向刃可普遍加大切削刃上各点的前角，降低了切削力，而且加大了容屑空间，有 华中科技大学硕士学位论文 利于排屑。但为了保持钻头有足够的强度，需加厚钻芯，因此必须修磨横刃，否则 轴向力增大。 3 ) 折线刃钻头、四刃带钻头、蜗杆型钻头等。 4 ) 还有一类钻头也比较重要，即控制切屑的钻头，包括前刀面分屑钻头、阶t 台刃瓣尾根断屑钻头、凸弧前刀面断屑钻头等。 另外，通过对麻花钻在刃形、前刀面、后刀面、横刃和刃带的不同刃磨方法， ； j 国内外出现了百余种钻型。比如分屑钻头、螺旋尖钻头、椭球面钻头、三平面钻头、l 多重峰角钻头、无横刃钻头、平面前刀面钻头、钻斜面钻头、扩精孔钻头、群钻等。 l 关于以上提到的几种重要钻型，国内外有许多学者都有所研究。华中理工大学 教师张华书设计了大前角钻头【2 ”，即通过对标准麻花钻的后刀面进行成形刃磨来控 制刃形及刀刃上各点的后角，以刃形来控制钻头主刃上各点的前角，该钻头大部分 主刃上各点的前角均达到该点所能达到的最大前角。其后他又改进设计了等前角钻 头。哈尔滨理工大学王战中提出了螺旋面钻尖刃磨的新方法凹】，详细地分析了螺旋； 面钻尖后刀面的几何特征和螺旋面钻尖的设计参数，提出了采用普通砂轮的外圆柱 面进行螺旋面钻尖刃磨的新方法，建立了刃磨参数方程。 国外也有两个钻型较为有名 2 5 1 ：w i n s l o w - - h e l i c a l ，b i c k f o r d 。二十世纪六 十年代j i mw i n s l o w 发明了一种麻花钻型，这种钻型比普通麻花钻加工质量更高， 进给速度更高，切削更省力。h o l i c a i 在此基础上做了改进，使其钻型的进给速度可 以更高。w i n s l o w - - h e l i c a l 钻型有较小的负前角，并带有一个s 形的横刃，主切削 刃是一条完整的切削刃线，切削力分配较均匀，切屑的形成与流动均有所改善。如 图1 2 所示： 图1 2w i n s l o w - - - h e l i c a l 钻型 b i c k f o r d t 2 6 1 在w i n s l o w - - h e l i c a l 钴型的基础上更进一步，在径向增加圆形切削 刃，以减小摩擦，清除毛刺，提高刀具使用寿命。与w i n s l o w - - h e l i c a l 钻型一样， b i c k f o r d 钻型一样能实现刀具自定心，同时也具有了自由切削的特征，即排属干涉 较小。此外国外还有一些较为复杂的钻型研究如r a d h a k r i s h n a n l 2 7 】和w u 2 8 埂出的 华中科技大学硕士学位论文 s p l i t 钻型和m u l t i f a c e t 钻型等等。 结合刀具自由切削的理论和麻花钻的现有研究状况，以及已研制出的可以实现 自由切削的硬质合金刀具的现实情况，可以清楚地看到只要合理地运用自由切削理 论指导麻花钻的改进研究，让这种结构和加工情况都比较复杂的刀具实现自由切削 不是没有可能的。关于这一点，闫兴博士的学位论文中己提出了这个观点，并做了 初步探讨。因此，只要在自由切削理论的指导下，建立合适的麻花钻的单元刀具非 线性综合法的自由切削模型，同样遵循最小能量原理和s t a b l e r 法则，就可以设计出 合理的麻花钻前刀面形状、刃形、槽形。 1 3 3 刀具c a m 的国内外概况及发展动态 我国c a m 技术的研究起步于7 0 年代，当时仅有少数大型企业和科研单位及部 分高校参加，进展较慢。近几十年，随着计算机技术的飞速发展，c a m 技术的优 点逐渐被人们接受，科技人员在这方面也做了大量工作，这使得c a m 技术有了迅 速的发展，并正在成为一个新兴的高科技产业。 目前，国内外比较流行的一些c a m 方面的软件或方法【2 9 】主要包括以 a u t o c a d 为基础进行二次开发的软件：以p r o e 、u g 、m a s t e r c a m 等工程软 件为基础生成刀位文件，再进行后置处理的方法：美国s d r c c a m a x 公司研发的 c a m a n d 软件：法国达索公司研发的c a t i a 软件；北京航空航天大学赵宗平开发 的五坐标刀位计算软件；武汉开目公司的c a m 软件等等。这些软件大都在曲面造 型，自动生成数控加工程序方面具备较强的功能。 以上都是一般的通用c a m 技术应用，由于硬质合金刀片繁多的种类，外形结 构和几何参数的多变性，以及其磨削加工方式的特殊性与专用性【3 ，一般的刀具厂 商都使用专用的c a m 软件进行数控加工。 国外一些大型的刀具厂商，如瑞典s a n d v i kc o r o m a n t 公司、美国r o g e r s 工具公 司、德国h e r t e l 公司、日本住友和三菱公司纷纷采用先进的c a m 技术，利用高性 能多轴联动数控磨床，成功制造出各种硬质合金刀片【3 l 】。国内也有一些刀具厂商开 发了自己的专用的刀具c a m 软件，如太原工具厂开发了这方面的软件，其设计思 想是以s u ns p a r c 工作站为硬件平台，以i - d e a sm a s t e rs e r i e s 机械 c a d c a e c a m 集成系统为软件开发应用平台而进行的开发【3 2 】。国内这些c a m 软 件的开发都有一个共同的特点，即必须基于通用c a m 软件的平台，这使得软件的 开发费用昂贵，往往从国外购买一套通用的带有c a m 功能的软件的费用甚至超过 了数控机床本身的价格，此外开发的软件不具备完全的自我版权，往往受制于通用 c a m 软件，这对于刀具厂商是十分不利的，因为这使得他们开发制造新型刀片的 7 1， 华中科技。大学硕士学位论文 能力受到了较大程度的限制。因而以较低的经济成本，开发具有自主版权的刀具 c a m 软件对于国内刀具厂商而言是非常必要的。 经过几十年的发展，刀具c a m 技术发展的总的趋势【3 3 】是： 1 ) 高集成度的c a d c a m 一体化 采用高度模块化的设计思想，有机地集成自动化与交互式设计方法，能很好地 完成刀具设计中的变参数和变形状设计及适应性设计，然后利用c a m 技术实现自 动生成数控机床所需的加工代码，其中c a d 与c a m 功能应实现无缝集成。 现在的c a d c a m 集成系统正逐步发展成为一个内涵更广的基于知识库的集 成系统，如图1 3 所示。 2 ) 开放性与可扩充性 系统设计中的所以模块结构均是透明的，用户可以很方便地对系统进行维护和 完善。系统为用户留有丰富地接口，可以覆盖整个系统的核心，可以对功能模块的 扩充。 3 ) 智能化 系统能根据用户输入的刀具基本信息，产生个刀具基本结构报告。在此基础 上，用户可交互地完成设计任务，并再实时设计过程中，动态地进行结构分析、校 验和监控，由此进一步延伸，形成一个高性能的设计、制造、检测一体控制的全闭 环系统。 图1 3 基于c a d c a m 的集成系统框图 ii， 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要内容 系 本文的主要内容有： 1 ) 基于自由切削理论对自由切削麻花钻刃形的计算机辅助设计的研究 基于自由切削理论，提出了一种设计麻花钻刃形的新思路，即建立一种泛函关 确定最优刃形，如图1 4 ： 图1 4刃形设计思路 即输入任意的刃形，通过泛函关系计算其非自由度系数巾，根据最小的非自由 度系数来选择刃形。其中刃形的产生可以是已有的钻型，也可通过插值函数产生， 或是三维空间任意点产生的空间曲线。 2 ) 硬质合金刀片磨削加工的专用c a m 软件的开发 内容主要是通过对三轴联动数控磨床加工硬质合金刀片外形轮廓的研究，提出 加工刀片刀尖圆角所形成的空间直纹面的算法，基于此算法，结合工艺流程与加工 精度要求，开发出专用的硬质合金刀片磨削软件，实现硬质合金刀片磨削加工的计 算机辅助制造。 1 5 本章小结 本章为综述，介绍了课题的来源、研究目的和意义，并阐述了本文的研究内容， 即分为两个部分：分别是刀具计算机辅助设计和计算机辅助制造的有关问题研究。 其中第一部分重点是利用自由切削理论，对麻花钻的刃形进行优化设计：第二部分 是开发硬质合金刀片的专用c a m 软件。同时对这两部分的国内外概况和发展动态 进行了介绍。 9 华中科技大学硕士学位论文 2自由切削刀具的有关基础理论 2 1 最小能量原理 一把金属切削刀具，可视为一系列单元刀具的组合，单元刀具具有直线刃，进 行斜角切削。研究表明，单元刀具的排屑向量( 包括排屑方向与排屑速度) 的自然 取值总是使切削功率趋于极小，此即所谓单元刀具切削下的最小能量原理( 1 】。 在切削过程中，诸单元刀具并行地进行切削，各自都力图按其自然排屑向量排 出切屑。这些方向与大小均不相同的排屑向量势必相互干涉和冲突；而为了维系各 单元刀具所排出共同切屑的整体性，诸单元刀具又必须相互协调其排屑向量，以确 定整体的排屑运动。研究表明，制约整体排屑运动的自然法则仍然是“最小能量原 理”：即在满足由控制参数所设定的约束条件的所有可能的整体的排屑运动中，那 个可以实现的整体的排屑运动，必须使整把刀具所消耗的切削总功率( 即诸单元刀 具所消耗的切削功率之和) 取极小值。 2 2 非自由切削条件下的排屑干涉与排屑协调 因存在排屑干涉，而必须进行排屑协调的切削过程称为非自由切削过程，在非 自由切削下，一般单元刀具都无法按各自的自然排屑向量排出切屑，而这导致切削 力上升且切屑变形加剧，从而引起了今天切削加工工序中的种种实际问题。 在非自由切削过程中，最小能量原理保证了整把刀具的切削能耗最小，但无法 使每个单元刀具的实际排屑向量都与其自然排屑向量一致。事实上，经过排屑协调 以后，一般来说，每个单元刀具都不得不作出适当的让步，而不能按其自然排屑向 量排屑。 假定刀具的一般排屑运动为刚体运动，根据最小能量原理和一种计及排屑干涉 的单元刀具综合法，推导出了制约排屑运动中的平移分量和旋转分量的普遍方程。 并由该方程归纳出一个法则：属于整体排屑运动的某一状态参数( 如排屑角或其他 参数) 的取值，等于诸单元刀具同一状态参数自然取值的加权平均，而以各单元刀 具在自由切削下的单元主切削力为权。按之可方便地确定非自由切削中的状态参 数，并便于分析各种因素对于状态参数的影响。 切削的总体运动与单元刀具的划分，如图2 1 所示。设一把刀具被沿其刀刃划 分成一系列单元刀具，各单元刀具的位置向径一，刀刃方向的单位向量6 ，前刀面 1 0 ； ： y 华中科技大学硕士学位论文 内垂直于刀刃的单位向量口，刃长6 。，第i 个单元刀县单位长度刀刃上的主切削力 为峨，其实际排屑排屑向量为，单元刀具的切削功率为： 只= 岷y ， ( 2 1 ) 图2 1 切屑的总体运动与单元刀具的划分 切屑在前刀面上一旦形成，它作为一个整体的运动可视为刚体运动( 弹性变形 略而不计) 。刚体运动由一个平移速度向量t 和一个转动角速度向量q 组成，则 由于切削的刚体运动，第i 个单元刀具的实际排屑速度向量将为： 圪= t + q p ， ( 2 2 ) 整个刀具的功率消耗可表示为( 具体公式推导参见文献) ： p = e p ( 2 3 ) f i l 其中，对于t ，q 按最小能量原理分别有： 鲨：o a r 堡：o( 2 4 ) 抛 -i_；，111ilillj it， j 华中科技大学硕士学位论文 2 3自由切削的充要条件 我国学者师汉民教授基于金属切削中的“最小能量原理”和排屑角的s t a b l e r 法则，即流屑角与切削刃的刃倾角相等，研究了非自由切削的基本特征，得出了现 代切削加工中普遍存在的排屑干涉和排屑协调的现象与规律，提出以“单元刀具综 合法”来建立复杂刀具的切削模型，并由此导出了制约排屑运动的普遍方程。 切削过程的非自由度系数中定义为【3 4 】 | “ 中= a y a ( 2 5 ) 贫 式中：a 为非自由切削实际的切削功率消耗( 包含排屑干涉因素) ，为诸单元 刀具各自进行自由切削时的单元切削功率之和( 末计及排屑干涉因素) 。非自由度 系数中用以描述一个切削过程的非自由程度，巾1 ，中愈大，表示该切削过程的 非自由程度愈高，当且仅当中= 1 时，该切削过程才是“自由的”。 实现自由切削的充要条件【l 】： 定理一个切削过程是自由的，即中= 1 ，当且仅当所有单元刀具的自然排屑向 量u 。( i = l ，2 ，n ) 组成- - n i 体运动，即有 u 。= t o + q 。p ( 2 6 ) 而且，在此情况下，常向量l 和q 。正好是整体排屑运动中的平移和旋转分量。 2 4 本章小结 本章介绍了自由切削刀具的基础理论，其中主要从最小能量原理、非自由切削 条件下的排屑干涉与排屑协调、自由切削的充要条件等三个方面进行了介绍，这为 后面的研究：自由切削麻花钻刃形的计算机辅助设计奠定了理论基础。 1 2 ，：，；，lt - f r 华中科技大学硕士学位论文 3自由切削麻花钻刃形设计的研究 3 1 研究的背景和所要解决的问题 本课题来源于国家自然科学基金，我校师汉民教授和其指导的博士研究生闫 兴、陆涛、熊良山等人已对自由切削刀具的研究做了大量的研究，并取得了阶段性 的成果，他们按自由切削理论设计制造的硬质合金刀片已经在工厂得到实际应用， 效果良好。 此外，他们也对麻花钻的自由切削设计傲了大量的工作，其中熊良山博士负责 的一部分软件设计工作是，通过参数化输入，设计麻花钻主刃的几何形状，并输出 主刃曲线上的离散点。 笔者所做的工作是通过离散主刃曲线获得的离散点，按照自由切削理论建立一 种泛函关系，计算出非自由度系数，选择具有最小非自由度系数的刃形，同时也要 保证刀刃，特别是靠近钻心处也有合理的前角值。 今后，这两部分工作有望集成为一个整体，实现麻花钻刃形计算机辅助设计的 全闭环控制。 3 2 麻花钻前刀面的通用模型 如图3 1 所示，0 。x 。y z 为固定坐标系，z 沿钻轴方向，主刃曲线在坐标系0 ：- x 2 y ：z 的参数方程为： 叫小吲 c s 。 其中u 为参变量，0 2 x2 y ：z 为动态坐标系，初始位置与0 。- x 。y 。z 相同， 随主刃曲线一起相对0 。x 。y 。z 作螺旋运动。设螺旋运动的导程为p ，转角为0 ， 华中科技大学硕士学位论文 进行表达： ， 图3 1一般螺旋前刀面磨削 一s i n po 、 c o s 目0 l r 2 ( u ) + 01j 3 2 所用数学计算公式 o o p 口 2 z x ( u ) c o s 口一y ( u ) s i n 口 x ( u ) s i n 占+ y ( u ) c o s a ：( “) + p ( 3 2 ) 3 2 1 麻花钻的基本角度的计算公式 以刀刃上任意选定点m 的径向平面( 即基面) 为o y z 平面，以麻花钻的端面 为o x y 平面，以钻轴为z 轴定义坐标系o - - x y z 。坐标变换如图3 2 所示，由图 可得： s i n = “形，c 。s = “形 ( 3 3 ) 其中，x ( “) ，y ( “) 为点m 在坐标系0 ：x2 y ：z 中的坐标，为相应的向径。 4 口口 宝洫o c s ，。l = ) 口u ( r j ： ， 华中科技大学硕士学位论文 y i 龇驴m i 垂季乡 0 ( o o | ) y k u 一 图3 2坐标变换示意图 根据以上前刀面的模型，以及坐标变换关系，参考文献7 1 ，可依次求出坐标系0 - - x y z 中前刀面的法向量，主刃的切向量，基面的法矢。然后过切削刃上的选定点 作一垂直于基面的被称为任意正交测量平面的p ，其方位由与钻头进给方向( z 轴) 的夹角z 确定。接下来可以求出过切削刃上的选定点的任意正交测量平面与前刀面 交线的切向量，这些公式的推导在文献【7 1 中有详细的描述，本文仅给出计算自然排 屑向量的有关参数的公式。 过切削刃上的选定点的任意正交测量平面内前角的计算公式： 锄y，：2zo一x(u)1y(u丽)-x丽(u)而y(u)万-z万(u)等一-r-7cosz 。i n z ( 3 4 ) 协n y ，。 一丽而f 而丽r 8 1 n z 斗 式中一( “) ，y ( “) ，z ( “) 为x ( “) ，_ y ( “) ，z ( “) 对“的导数，下同。主偏角的计算公式为： tank：x(u)cos。+y(u)sin ( 3 5 ) 7 z i ( “) 当3 6 式成立时，由3 4 式求出的前角y 对应于主剖面前角y 。： z = x 2 一k ， ( 3 6 ) 华中科技大学硕士学位论文 刃倾角的计算公式 t a n a 。： 兰丝! ! ：呈竺三兰丝! ! ! 竺 ( 3 7 ) 一( u ) c o s , u + y ( u ) s i n , u 2 + 【一( “) 】2 4 主刃上任一点处自然排屑向量的计算公式 t = t v ( 一c o s s i n z rs h a y rc o s y yc o s z y ) 7 ( 3 8 ) 式中，为m 点所对应的单元刀具的切削比，y 为该点的切削速度，y ，为流屑 方向的前角，z ，为流屑平面的方位角。 参考文献m ，z 可表达为前角y 。、刃倾角五，、切削速度以切削厚度口。的多项 式： z2 o 5 4 + o - 0 0 2 5 7 。+ o 0 0 3 3 2 , 一0 2 5 a 。+ o 0 0 0 0 3 3 y 。2 r39 ) + o 0 1 3 y 。a 。+ o 0 0 0 0 3 4 y 。v 一0 0 0 0 1 4 2 , v 切削厚度可表达为： 吒= 吾s i n 砟 ( 3 1 0 ) 在s t a b l e r 法则成立的条件下，根据文献7 】中的计算公式可计算出流屑方向的前 角和流屑方向在基面内投影与主刃在基面内投影的夹角刀。 t a n y 。= t a n y 。c o s 五。( 3 1 1 ) t a l l 五：! ! ! 盐! ! 翌 s i n y r = s i n y 。c o s 2 五+ s i n 2 五 则可求出：z ，= 厅一k ，一r f c o s ( p