（机械工程专业论文）矩形花键拉刀三维参数化设计研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着c a d 技术的发展，工程师们已经习惯的二维设计正在被三维设计所 取代，这一过程可称为设计方法的一场革命。花键拉刀作为一种高效、高精 度的多齿复杂刀具已广泛用于花键孔的加工中。由于花键拉刀设计时涉及的 参数多、计算量大、齿形设计烦琐，所以设计周期长。此外，由于花键拉刀 属于结构复杂的精加工刀具，制造成本较高，如果设计时出现计算失误，将 会造成很大的经济损失。因此，建立一套完整的计算机辅助设计系统，将专 家智能容于设计全过程，对于合理设计其结构尺寸，选择适宜的结构参数， 提高设计效率和设计质量，具有重要的现实意义。 本论文研讨了基于s o l i d w o r k s 软件平台建立矩形花键拉刀三维参数化 设计系统的设计思想和开发流程，同时讨论了基于a n s y s 软件对矩形花键拉 刀刀齿进行强度分析的方法，以期为拉刀设计提供先进的工具平台。主要研 究内容如f ： 1 分析矩形花键拉刀设计过程，选取结构参数并建立设计流程，实现 矩形花键拉刀的结构尺寸设计计算自动化。 2 根据矩形花键拉刀结构尺寸参数，在s o l i d w o r k s 的环境下建立拉刀 的三维参数化模型，以直观地反映设计结果，为评价和分析设计提供支持。 3 研究利用v b 丌发工具实现系统集成技术，实现由拉刀三维数字化 模型自动生成符合机械制图要求的二维工程技术图样的功能。 4 分析拉刀损坏的实际情况，建立拉刀分析计算模型。基于a n s y s 软 件对矩形花键拉刀刀齿进行有限元分析，获取拉刀刀齿工作中受力后位移和 应力分布情况。 本文研究和开发以三维c a d 技术应用为核心的机械产品设计方法和工 具，对于提高机械产品设计质量，降低成本，缩短生产周期，提供了技术上 的借鉴。 关键词：矩形花键拉刀：参数化设计；三维造型；有限元法；c a d 西南交通大学硕士学位论文 第1 1 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec a dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h et w o d i m e n s i o n a l d e s i g nw h i c he n g i n e e r sw e r ea l r e a d yf a m i l i a rw i t hs u b s t i t u t eb yt h e t h r e ed i m e n s i o n a ld e s i g n ，t h i sp r o c e s sm i g h tb ee a l l e dt h ed e s i g n m e t h o dar e v o l u t j 0 1 3 t h eb r o a c hi sq u i t et y p i c a la n dt h ec o m p l e x c u t t i n gt o o l ，t h ec o m p l e xc u t t i n gt o o ld e s i g n st h ec o m p l e x 【t yl i e s i ni t sn u m e r o u sv a s td e s i g nl a b o r ，t h ee x c e s sb o t h e r s o m ec o m p u t a t i o n ， c a u s e st h em u t i t u d i n o u sd e s i g n e r st ob ea w e da tt h es i g h t ，t h e r e f o r e ， e s t a b i i s h e sas e to fc o m p l e t ec o m p u t e r a i d e dd e s i g ns y s t e m ，t o i e r a t e s t h ee x p e r tw i s d o mi nd e s i g n st h ee n t i r ep r o c e s s ，r e g a r d i n gd e s i g n s i t ss t r u c t u r es i z er e a s o n a b l y ，t h ec h o i c eb e i n gs u i t a b l ed e s i g n p a r a m e t e r ，e n h a n c e st h er a t e dc a p a c i t ya n dt h ed e s i g nq u a l i t y ，h a s t h ev i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ep r e s e n tp a p e rn a r r a t e db a s e do nt h es o li d w o r k ss o f t w a r e p l a t f o r md e v e l o p m e n t r e c t a n g u l a rs p l i n e b r o a c ht h r e ed i m e n s i o n a p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g ns y s t e mm a j nd e s jg nc o n c e p ta n dt h ed e s i g nf l o w a n dc a r r i e so nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb a s e do nt h ea n s y ss o f t w a r e t ot h er e c t a n g u l a rs p l i n eb r o a c hk n i f et o o t h ，t h u sh a sp r o v id e dt h e b a s isf o rt h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r eb r o a c h 1 h em a i nr e s e a r c h c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： t a c c o r d i n g t ot h e r e c t a n g u l a rs p i n e b r o a c h d e s i g n c h a r a c t e r i s t i c ，t h es e l e c t i o nd e s i g np a r a m e t e ra n de s t a b i s h e st h e d e s i g nf l o w ，t h er e a l i z a t i o nr e c t a n g es p l i n eb r e a c hs t r u c t u r es i z e d e s i g nc a l c u l a t i o na u t o m a t i o n 2 a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec o m p u t a t i o no b t a i n e dr e c t a n g l es p l jt i e b r o a c hs t r u c t u r e siz e p a r a m e te z ，d r a w s t h eb r o a c hu n d e rt h e s o i d w o r k se b v i r o n m e n t t h et h r e ed i m e n s i o n a l p a r a m e t r i z a t i o n f u l l s c a l em o c k u p ，b y r e f l e c t e d i n t u i t v e y t h ed e s i g nr e s u l t ， p r o v i d e st h ec o n v e n i e n c ef o rt h ea p p r a i s a l a n dt h ea n a l y s i sd e s i g n 西南交通大学硕士学位论文 第l l i 页 3 u n d e rt h ev be n v i r o n m e n tt h ee o d i n g ，o b t a i n sc o n f o r m st ot h e m e c h a n i c a ld r a w i n gr e q u e s tt w o d i m e n s i o n a lp r o j e c tt e c h n o l o g y p a t t e r n ，p r o v i d e st h ec o n v e n i e n c ef o r t h ep r o c e s s i n gm a n u f a c t u r e b r o a c h 4 a c t u a ls i t u a t i o nw h i c hd a m a g e sa c c o r d i n g t ot h eb r o a c h ， a p p l i c a t i o ne x a m p l e ，e s t a b l i s h e st h eb r o a c ha n a l y s i sm o d e l ，c a r r i e s o nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb a s e do nt h ea n s y ss o f t w a r et ot h e r e c t a n g u l a rs p l i n eb r o a c hk n i f et o o t h ，a f t e ro b t a i n s i nt h eb r o a c h k n i f et o o t hw o r kt h es t r e s st h ed i s p l a c e m e n ta n dt h es t r e s s d i s t r i b u t i o ns i t u a t i o n ，t h u sh a sp r o v i d e dt h eb a s i sf o r t h ed e s i g n a n dt h e 丌1 a n u f a c t u r eb r o a c h t h ist o p i cf o rp r o m o t e st h em o d e r nd e s i g nt e c h n o l o g y ，t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g yv i g o r o u s ya n ds oo nt h en e wt e c h n o l o g ye n h a n c e s t h em e c h a n i c a lp r o d u c tt h eq u a l i t y ，r e d u c e st h ec o s t ，r e d u c e st h e p r o d u c t i o nc y c l e ，h a sp r o v i d e di nt h e t e c h n i c a lm o d e l k e y w o r d s ：r e c t a n g l es p l i n eb r o a c h ：p a r a m e t e rd e s i g n ；3 dc o n s t r u c t i o n f i n i t ee e m e n tm e t h o d ：c a d 西南交通大学硕士学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着c a d 技术的发展，工程师们已经习惯的二维设计正在被三维设计所 取代，这一过程可称为设计方法的一场革命。工程师们将不再受从二维工程 图开始设计并表现设计思想的束缚，可能在不久的将来由蒙日创立的画法几 何将退出历史的舞台，尽管目前许多设计人员，特别是老一代的设计人员还 难以放弃，但c a d 技术的发展使设计人员不得不这样做。人们也不要惋惜， 因为蒙日当时没有比用二维图纸并采用画法几何原理来记录和交流的设计 思想更好的手段。现在我们已经有了强大的计算机三维设计手段和海量的数 字记录手段，最典型的三维设计工具有c a t i a 、u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、 s o l i d e d g e ，它们已成为业界标准。如果我们把这些三维设计软件仍然看作 工具，那么这个工具将彻底使我们从前些年的二维c a d “甩图版”工程，提 升到一个更高的层次，还设计的本来面目，真正体会到c a d 带来的巨大进步。 笔者曾读过国内c a d 专家陈伯雄的文章，他精辟分析了现代设计方法的 发展过程以及现在存在的问题，他说：“所有的设计都要画图，是必然，但 也很奇怪设计总要绘图，是必然，是迫不得已。一个工程师无法记住自己的 设计( 哪怕是较简单) 中的全部细节，图形表达就是唯一可能的方法。这些图 首先是给设计者自己看：为了记住、研究和配凑设计自己的构思：其次是给 别的工程师看，为了互相讨论交流，共同合作完成设计；最后是为了给制造 者看，为了将设计意图在制造车间变成实际零件。在设计的全过程中，构思 的原始冲动是三维概念，这是毫无疑问的：设计实施之结果是三维实体，这 也毫无疑问的。但是，在传统的设计中，在这两者之间的信息传递竟然全是 二维的图形表达。这种颠过来再倒过去的现象大家早已习惯了，似乎是天经 地义。为了能够比较圆满地做到这一点，许多学者费尽心思。”他还说：“人 在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、 位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂 的运动关系的三维实体。只是由于以前的手段有限，人们不得不共同约定了 西南交通大学硕士学位论文第2 页 在第一象限( 美国是第三象限) 平行正投影的二维视图表达规则，用有限相关 联的二维投影图表达自己的三维设想。这种表达信息是极不完整的，而且绘 图、读图要经过专门训练，以便纠正人类头脑中原始的、关于几何形体 表达的错误。” 目前的国内c a d 的应用主要有以下问题和不足：( 1 ) 仅仅将c a d 作为辅 助绘图工具，许多企业的c a d 系统只能将设计过程的最后阶段绘图阶段 搬到计算机上，设计过程仍在设计师的头脑中完成，没有真正发挥出c a d 的功能这种应用中c a d 还只是c o m p u t e ra i d e d d r a w i n g 而非 c o m p u t e r a i d e d d e s i g n 。( 2 ) 对产品设计的发展趋势三维设计认识不足，许 多设计人员没有意识到早日进入三维设计，就会早一天取得经济效益和技术 效益，他们仍然采用传统的设计计算手段，对新的有限元分析软件掌握很少， 没有意识到有限元分析对提高设计质量的重要性。对三维设计平台软件与投 影生成二维工程图的相互关联功能认识不足。对三维c a d 系统是技术创新和 产品设计的有效辅助工具认识不足，对于大幅度替代试制、台架试验，对于 各个设计部分的协调、配合，对于设计数据的管理和使用也缺乏足够的认识。 据笔者所知，对二维工程图的一个视图的全面参数化是十分困难的，目 前还没有人将此问题完全解决，简单图形还可以，如果建立多视图之间的相 互联动，就更加困难，用有限参数驱动整个零件图，就更是难以做到，二维 工程图参数化实际上没有进入实用阶段。基于特征的三维参数化的思想，当 然也离不开二维图形的参数化技术，但该图形是一个简单图形，是单一的拓 扑闭环结构，不能多于两个开环，这样的图形是完全可以参数化的，其定位 尺寸也是能够被参数化的，这些图形被定位并拉伸和旋转后生成的特征集就 是基于特征的三维参数化实体建模思想，现在几乎所有的三维设计平台都是 采用的这个方法。 c a d 技术早期的目标曾经是绘图( d r a w i n g ) ，为了生成二维工程图。即 使现在有了三维设计软件，如果不强调设计( d e s i g n ) ，其目标也只不过是建 模( m o d e l i n g ) 。实际上这只是设计全过程的一小部分，为什么要这样设计， 对于一个有经验的工程师来说，当然是容易的，因为他们已经将经验和知识 存人自己的大脑，但对于一个没有经验的人如何进行设计呢? 当然设计有原 创性设计和非原创性设计即模仿性设计两种，实际的设计经常是后者。 西南交通大学硕士学位论文 第3 页 s o l i d w o r k s 是一种非常优秀的三维机械设计软件，易学易用，目前是 市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。 在全球的销量排名处于3 d c a d 软件销售榜首，遥遥领先于其他同类产品。本 文利用三维s o l i d w o r k s 设计软件，进行企业产品的开发，其思想与原先在 二维c a d 平台上进行的二次开发思路基本一致，但我们现在所借助的平台是 三维的s o l i d w o r k s 为开发平台，是一个比较详细的开发过程，计算驱动模型 的过程，当然由于s o l i d w o r k s 的三维模型与其生成的工程图是联动的，因 此设计计算同样也驱动了工程图的更新。 哈尔滨第一工具厂设立了省、市级科技攻关项目：插齿刀具及拉削刀 具c a d 应用研究，经过多年的开发、研制，已取得成效。这些c a d 系统具 有很强的优化设计和人机对话功能，提高效率8 0 倍。可创年产值2 4 0 0 万元， 其中新增产值6 0 0 万元，新增利税5 0 万元。具体效果如下： 1 提高刀具新产品开发能力，缩短新产品开发周期4 0 ，有的产品可 以不经过试制即可投产推向市场。节约新产品试制费8 0 左右。 2 缩短复杂刀具，精密普通刀具供应周期3 0 。拓展国内主导产品市 场。 3 通过应用c a d 技术，优化设计及工艺，使原材料合理利用，工艺加 工路线合理，降低生产成本，产品质量得到提高，节约原材料1 0 左右。 4 应用c a d 技术，大大增强多品种、小批量、短周期和高难度产品的 生产能力，提高企业的竞争能力及企业形象和地位。 5 通过应用c a d c a p p c a m 技术为工厂实施c i m s 工程打下良好基础， 培养了人材，提高了技术人员的素质，减轻技术人员重复工作量，从而提高 了企业的管理水平。间接经济效益很大，最终使哈一工的产品占领国内市场 并走向世界。 基于这样的背景和意义，本文选择矩形花键拉刀的三维参数化设计进行 研究。 1 2c a d c a m 技术发展综述 自1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国出现后，人们就不断地将计 算机技术引入机械设计、制造领域。早在2 0 世纪5 0 年代便首次成功研制数 西南交通大学硕士学位论文第4 页 控机床，通过数控程序就可以实现对零件的加工，随后，麻省理工学院的伺 服机构实验室研究成功用计算机控制数控纸带，实现了n c 编程的自动化。 在此基础上，人们提出了如下设想：a p r r 程序系统是通过描述刀具轨迹的方 法实现计算机辅助数控编程，那么能不能不描述刀具轨迹，而直接描述零件 本身，由此产生了c a d 的最初概念。 1 9 6 3 年，美国麻省理工学院的i e 萨瑟兰德( i e s u t h e r l a n d ) 在 他发表的博士论文中提出了二维图形系统s k e t c h p a d ，提出图形交互的理 念。尽管该系统还是较原始的，但这些基本理论和技术至今仍是c a d c a m 技术的基础。 交互式图形生成技术的出现，促使了c a d c a m 技术的迅速发展，2 0 世 纪6 0 年代中期后，美国的一些大公司都十分重视这一技术，并投入相当资 金对c a d c a m 技术进行研究和开发，这一时期的c a d c a m 系统的特点是：规 模庞大，价格昂贵。所以只有经济实力雄厚的、技术力量较强的大型企业和 研究单位才能研究和应用c a d c a m 技术。 从2 0 世纪6 0 年代末期至7 0 年代中期，以小型和超级小型计算机为主 机的c a d c a m 系统进入市场并形成主流。c a d c a m 系统的特点是硬件和软件 配套齐全，因此人们称它为“交钥匙”系统，与大型的c a d c m 系统相比， 其价格相对便宜，使用和维护也相对简单一些，这也是c a d c a m 技术得到进 一步发展和扩大应用范围的原因之一。在这一时期内，对三维几何造型技术 也开始了研究。 2 0 世纪7 0 年代以后，3 2 位工作站和微型计算机的出现对c a d c a m 技术 的发展起了极大的推动作用，3 2 位工作站是属单用户的计算机系统，具有 较高的响应速度，它特别适用于c a d c a m 系统。而且3 2 位工作站之间可通 过联网达到共享系统内资源，发挥各台计算机特点的目的。因此可以根据工 作需要和经济条件以及c a d c a m 技术的发展等逐步投资，逐步发展c a d c a m 系统的功能与规模。 2 0 世纪8 0 年代是c a d c a m 技术迅速发展的时期，超大规模的集成电路 的出现，使计算机硬件成本大幅度下降，计算机外围设备已成系列产品，为 推进c a d c a m 技术向高水平发展提供了必要的条件。同时相应的软件技术如 数据库管理技术、有限元分析、优化设计等技术也迅速提高。这些商品化的 西南交通大学硕士学位论文第5 页 软件的出现，促进了c a d c a m 技术的推广及应用，使其从大中型企业向小企 业发展，从发达国家向发展中国家发展，从用于产品设计发展到用于工程设 计。在这期间还相应发展了一些与制造过程相关的计算机辅助技术。例如计 算机辅助工艺规程设计、计算机辅助生产管理、计算机辅助工装设计、发展 趋势计算机辅助质量控制等，然而以上作为单项技术，只能带来局部效益， 进入2 0 世纪8 0 年代以后，人们在上述计算机辅助技术的基础上，致力于计 算机集成制造系统的研究，这是一种总体高效益，高柔性的智能化制造系统。 2 0 世纪9 0 年代以来，微机性能的大幅度提高，微机已具有较强的图形 处理，支持多c p u 及并行处理的能力，其性能逐步接近工作站，从2 0 世纪 8 0 年代后期开始，以i d e a s 、u g 、p r o e n g i n e e r 等为代表的以工程工作站 为平台的c a d c a m 软件纷纷向微机平台移植，而基于微机平台的c a d 、c a m 软件则不断推出更为优秀的新一代产品如s o l i d w o r k s 、i n v e n t o r 、m d t 、 m a s t e r c a m 等。 目前c a d c a l 4 技术已不再停留在过去的单一模式，单一功能、单一领域 的水平，而向着集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化方向发 展，为了实现系统的集成，实现资源的共享和产品生产与组织管理的高度自 动化，提高产品的竞争能力，需在企业和集团内的c a d c a m 系统之间或各个 子系统之间进行统一的数据交换，为此，一些工业先进的国家和国际标准化 组织都在从事标准化接口的开发工作，与此同时，面向对象技术，并行工程 思想分布式环境技术及人工智能技术的研究，都有利于c a d c a m 技术向高水 平发展。 我国c a d c _ a h l 技术的开发及研究是从2 0 世纪7 0 年代初期开始的，通过 引进或自主开发，现已初步形成了实用的、功能集成化的c a d c a m 支撑软件。 c a d c a m 技术的推广及应用越来越得到政府、企业领导和工程技术人员的重 视和支持，取得了良好的经济效益，重点行业和地区的c a d c a m 典型示范工 作已初见成效。据统计，c a d c a m 技术在机械产品设计制造中的应用，可以 使产品设计周期缩短1 3 1 2 ，工效提高3 5 倍，产品设计的一次成功率 达9 0 以上。 为了适应2 l 世纪的制造模式，c a d c a m 集成系统关键技术主要有： 1 集成化技术 西南交通大学硕士学位论文 第6 页 在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的，现在更强调技术、 人和管理的集成。在开发制造系统时强调多集成的概念，即信息集成，智能 集成，串并行工作机制集成，资源集成，过程集成，技术集成及人员集成， 这更适合未来制造系统的需求。 2 智能化技术 应用人工智能技术实现产品生命周期( 包括产品设计、制造、发货、支 持用户到产品报废) 各个环节的智能化，支持生产过程( 包括组织、管理、 计划、调度、控制等) 各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及 人在其中的智能的充分发挥。 3 网络技术 网络技术包括硬件与软件的实现，各种通信协议及制造自动化协议，信 息通信接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础，特 别是在当前情况下要实现基于i n t e r n e t 的t e l e d e s i g n 和 t e l e m a n u f a c t u r i n g ( 异地设计与异地制造) 技术基础。 4 分布式并行处理智能协同求解技术 该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解， 实现系统的最优决策。 5 多学科多功能综合产品设计技术 机电产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识( 力学、材料、工 艺等) ，而且还用到电磁学、光学、控制理论等，不仅要考虑技术因素，还 要考虑经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行 多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静热特性、效率、精度、使用 寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合，研究重点是：并行工程及 c a d c a p p c a m c a e 一体化设计技术。面向制造装配市场销售的并行设计 和“鲁棒性”设计技术，产品效益及风险的并行评估技术等。 ， 6 综合可视化技术 是利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术实现产品设计制造 过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真。采用多种介 西南交通大学硕士学位论文第7 页 质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人 一种真实感及身临其境感。 7 人机环境系统技术 将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的 重点是：人机环境的体系统结构及集成技术。人在系统中的作用及发挥，人 机柔性交互式技术、人机智能接口技术，清洁制造等。 这些主要关键技术随着2 1 世纪先进制造技术的发展及新的生产模式的 出现，会不断地对c a d c a m 集成系统提出新的要求，其关键技术内容会产生 某些变化，但集成化、智能化、网络化及可视化仍然为c a d c a m 系统的发展 的主要方向。 8 海量信息的存储，管理和检索技术 随着c a d 技术应用的深入，所涉及的各种信息越来越多，如何快速，有 效地对海量信息进行存储、管理和检索，成为人们关注的焦点，传统的关系 型数据库已难以适应日益增长的数据管理的要求。 9 计算机安全技术 计算机己渗透到产品开发的各个环节，人们对计算机的依赖性也越来越 大，可以说，计算机内设计结果和数据已成为企业的宝贵财富，一旦企业的 计算机系统遭遇到破坏，就可能导致企业或行业的瘫痪甚至会影响到整个社 会，随着市场竞争的激烈和知识产权意识的增强，使产品的设计信息具有保 密性，因此，如何保证计算机以及其中产品数据的安全，是c a d 技术应用中 日益被人们所关注的重要问题。 1 3 论文研究的主要内容 通过对拉刀传统设计和制造技术分析，在对基于特征的参数化技术和交 互式绘图技术的综合运用的基础上，采用面向对象的模块化编程技术对 s o l i d w o r k s 进行二次开发实现拉刀的三维参数化c a d 系统的设计。并利用 a n s y s 软件对设计得到的拉刀刀齿进行有限元分析，最终系统以插件的形式 集成于s o l i d w o r k s 环境之下。在s o l i d w o r k s 平台下即可实现系统的设计、 造型、生成二维工程图和有限元分析等，并且用户可以得心应手地对造型结 西南交通大学硕士学位论文第8 页 果进行编辑、渲染和计算机辅助工艺设计等各种处理，实现系统开发的集成 化和用户化。 为了实现这个目标，本文围绕建立矩形花键拉刀三维参数化设计平台展 开深入地研究，主要研究内容如下： 1 分析矩形花键拉刀设计过程，选取结构参数并建立设计流程，实现 矩形花键拉刀的结构尺寸设计计算自动化。 2 根据矩形花键拉刀结构尺寸参数，在s o l i d w o r k s 的环境下建立拉刀 的三维参数化模型，以直观地反映设计结果，为评价和分析设计提供支持。 3 研究利用v b 开发工具实现系统集成技术，实现由拉刀三维数字化 模型自动生成符合机械制图要求的二维工程技术图样的功能。 4 分析拉刀损坏的实际情况，建立拉刀分析计算模型。基于a n s y s 软 件对矩形花键拉刀刀齿进行有限元分析，获取拉刀刀齿工作中受力后位移和 应力分布情况。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 第2 章拉刀与拉削加工 在机械加工技术发展过程中，刀具一直是最活跃的因素。刀具的发展与 加工材料及机床的发展是互相促进的，新的工件材料和机床要求发展新的刀 具，而新的刀具又对机床提出更高的要求。 计算机数控系统中应用传感器进行反馈，使加工精度进一步提高，但加 工精度的提高还必须取决于机床和刀具精度的提高。从1 9 3 5 1 9 7 5 年的4 0 年间，机械加工精度提高了一级，从1 9 7 5 1 9 8 5 年的1 0 年问，加工精度又 提高了一级，可以预料，今后对刀具的精度、稳定性、耐用度及表面质量等 还会要求有相应地提高。 为了提高拉刀的加工效率、加工精度、刀具稳定性和耐用度，应改进拉 刀结构、选用新的刀具材料和新的表面处理工艺。要研究难加工材料的拉削 工艺、发展诸如高速拉削、振动拉削等新工艺、推广应用立方氮化硼磨具以 适应拉刀材料的变化。此外，设计制造高速拉床，以及发展制造拉刀用的数 控机床和刃磨机床等也是非常重要的。 2 1 拉刀结构与改进 采用特殊的改进结构，可提高生产效率，延长拉刀寿命、提高加工质量。 现举例说明如下： 1 可横向进给的槽拉刀 多次拉削时，需要多次换刀或垫上垫片以补偿尺寸，这样要增加辅助时 间。近来，k h o f f m a n n 公司发展了一种装有横进给构件的变齿升量拉刀。 这种拉刀是由带弓形刀齿的镶块、凸轮轴和刀座组成。回程时弓形刀齿通过 凸轮回转9 0 0 ，即可调整齿升量，直至四次拉削后又恢复至原来位置，准备 加工下一个零件，因此辅助时间减少，生产效率提高。 2 减小切宽的花键拉刀 基洛夫机器制造厂研制了减小切宽的单把新型花键拉刀，可代替二把拉 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 刀加工直径6 0 m 以上、长1 2 0 r i o n 的花键孔。这种拉刀采用分块拉削方式， 每一齿组由两个切槽齿和一个修光齿组成，如图2 - 1 所示。各组切槽齿的位 置是相同的，切出的槽底分布在同一直径上，分屑槽有正的后角。 拉刀工作时，切槽齿切去槽的余量，修光齿切去切槽齿留下的筋条和倒 棱处留下的棱边。切槽齿两侧有( 0 5 o 8 ) 哪4 5 0 的交错倒角可减轻负荷， 减小刀齿磨损，提高拉刀耐用度并改进拉削的表面质量。 切槽齿的齿宽和齿距会影响切屑卷曲状态，拉刀的耐用度和工件的表面 质量，也影响拉刀长度。切削齿窄，卷屑紧，排屑好。槽宽约选2 咖，槽深 0 6 o 8 m m ，槽距为槽宽的2 倍。这样可保证切槽齿和修光齿的拉削力相接 近。 3 带凸角的花键拉刀 大直径( 如6 0 n n 以上) 外径定心的花键拉刀，在磨削外径时，由于花键 表面为不连续的外圆表面，容易产生塌角，使用这样的拉刀拉花键孔时，易 出现槽底凸起( 内圆角) 的现象，相当于定心直径减小。此外，拉刀在使用中 齿顶角会遭到严重的磨损和倒圆，从而破坏了所要求的配合质量，给装配带 来困难，甚至使合格的零件降低为废品。反之，若控制工件质量，就会降低 拉刀耐用度。为了克服这一矛盾，在拉刀切削部分最后四五个切削齿上做出 凸角，拉削时在花键的齿侧面与齿顶面相交处切入被加工零件的体内，可以 保证花键大径正确配合，延长拉刀寿命。凸角的形式可以做成径向凸起、切 向凸起或径向切向凸起，如图2 2 所示。 蜘椿齿正 图2 - l 单把花键拉刀刀齿示意图 图2 - 2 渐开线花键拉刀刀齿角凸缘图 a ) 径向凸起b ) 切向凸起c ) 径向切向凸 使用证明带凸角的拉刀耐用度可高数倍，如拉削铸件的平均耐用度为 西南交通大学硕士学位论文 第1 i 页 5 5 0 0 件，钢件为2 2 5 0 件，零件合格，可将成型挤压推刀校准孔的余量减少 8 0 ，而使用切削推刀的工序可完全省去。 4 低碳钢深孔拉刀 工件为2 0 钢，经退火处理，外径3 4 m m ，内径2 6 m m ，孔深1 5 0 m ，为薄 壁深孔件。原工艺采用粗拉两次，齿升量皆为a ，= o 0 2 m ，精拉一次，齿升 量为o o l l 嘞。 存在问题为，积屑瘤过大，高度达0 0 3 o 0 6 r m ，表面粗糙，废品率 高。 利用原设计的拉刀改进后，其特点如下： 表2 - 12 0 号钢深孔拉刀刀齿直径尺寸m 廖母直径膏差 啬菇枣号 童 叠 眷差 鸯 妻 j艄”o i l2 5 聃 0 0 5 4 过譬卤 l邓邓2 廿 2 5 卯 2 5 7 7 4 i ，2 9 卯 2 5 r b“黔蚱 精埘由 瓤 2 5 e 1 0坫2 0 9 9 土o 0 0 5切 拈o2 6 齿 r 箱0 韶 i r 们一o o 技蠢盘 2 5 0 “ l 蛇 2 5 9 坤 l 2 0 l i o 2 5 9 2 5 1 ) 加大前角( 由1 8 0 改为2 2 。) ，减小切削变形，便于卷屑，并可减小 积屑瘤高度。 2 ) 加大后角，切削齿后角为3 0 。+ 3 0 。；校准齿后角为2 0 ，有利于减少 摩擦，改善表面质量。 3 ) 加长后导部到7 0 m ，工件不致倾斜。 4 ) 校准齿做出齿升量a ，= o 0 0 5 m ，以消除薄壁弹性恢复的影响。 5 ) 减少拉刀前、后刀面的租糙度，前刀面为r a o 2um 、后刀面和刃带 为r a o 1pm 。 此外，使用硫化油为切削液，并采用球面自动定心夹具等辅助措施。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 效果：拉刀耐用度提高三倍、，表面粗糙度由r a 3 0 6 0i im 减小为 泌泌矗 图2 - 32 0 号钢深孔拉刀 r a l 5um ，经过挤光拉刀进一步加工，可达到r a o 4i lm 。 拉刀结构见图2 3 ，刀齿直径列于表2 1 。 2 2 拉刀材料及表面处理 目前最常用的拉刀材料为高速钢，新的拉刀材料为硬质合金、粉末高速 钢和涂层硬质合金，高速钢涂层技术和其它表面处理技术也在日益应用于拉 刀上。 根据科研和生产统计，每年因提高拉刀寿命而节省重磨和装调拉刀时间 分别为： 涂层高速钢拉刀达6 7 ； 硬质合金拉刀达7 3 ； 涂层硬质合金拉刀达8 7 ； 现举几个实例如下： 1 采用粉末冶金高速钢制成的拉刀，具有良好的韧性和很高的横向断裂 强度，其寿命高于高速钢。如用粉末高速钢a s p 3 0 制成的拉刀，拉削汽车转 向轮的球形毂孔，可加工两万件，而用m 4 1 高速钢拉刀只能加工5 6 0 0 件。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 2 采用氮化钛涂层高速钢拉刀加工内孔、平面和内齿轮等，其寿命比未 涂层高速钢拉刀提高3 倍，重磨后寿命也有所提高，且加工表面粗糙度有所 减小。 3 采用氮化处理的拉刀能提高表面硬度、提高耐磨性能和耐粘屑性能， 能提高寿命l 3 倍。采用工艺简单，成本低廉的超低温处理( 冷处理温度延 至一1 9 6 c 。) 平均寿命能提高一倍以上。 4 采用装圆形硬质合金可转位刀片的拉刀，加工曲轴轴承盖的半圆孔和 接合面，可大大降低加工成本。这种可转位圆刀片不重磨就可重复使用，经 济上非常合算。 5 采用硬质合金拉刀拉削灰铸铁早已取得成效，近来又用于加工钢件。 以6 8 m r a i n 的拉削速度拉削4 5 号调质钢，拉刀寿命大为提高。 6 瑞士推出的新产品是镶金刚石的内表面拉刀，用于消除内齿轮的淬火 变形。拉刀后端装有校准环和间隔环，可大大提高拉刀的寿命。 2 3 特殊拉削加工形式 1 难加工材料的拉削 随着机械工业和科学技术的发展，不锈钢、高温合金、钛合金、高强度 合金等难加工材料的加工日益广泛地采用拉b , j n 工。但在生产中常遇到不少 问题，主要的有拉刀耐用度低，易磨损和崩刃，工件表面质量差，出现鳞刺， 以及尺寸精度难达到要求等。这些材料主要特点是塑性、韧性大，切屑不容 易被切离、高温强度、硬度高，切屑粘附性强，拉削时易产生积屑瘤，导热 性差，使切削区的温度很高，材料的碳化物微粒硬度高，使刀具容易磨损以 及加工硬化趋势强等。 针对以上特点，在拉刀几何参数的选择，齿升量，齿距和容屑槽的设计， 新刀具材料的采用等方面，都需要进行探索和研究。目前，在实际生产中， 已取得一些经验并获得较好效果，现介绍如下： 1 ) 拉刀几何参数、齿升量和齿距的研究 ( 1 ) 前角不锈钢、高温合金的冷作硬化趋势强，拉削力、剪切力 比一般钢料大，故鳞刺形成强烈，鳞状明显。因此在拉削中，适当加大 前角，以增强切削作用、减小拉刀的挤压作用，是抑制鳞刺产生的有力 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 措施。同时，增大前角、可减小金属变形，切屑形成顺利。 拉削高温合金，高强度合金等。般取= l o 。1 5 0 ，不锈钢= 1 5 0 1 8 0 。通过试验表明，加大前角到y o = 1 5 0 2 2 0 可减小切屑与刀齿的摩擦， 降低切削力也可减小工件加工表面的冷硬层深度。从拉削过程中可观察到， 当= 1 0 0 - - 1 5 0 时，不锈钢的鳞刺现象严重，切屑厚度、宽度增加、长度减 小，说明切屑变形大，表面粗糙度为r a l 2 6 u m ，改用= 2 2 0 后，切屑变 形减小，拉削过程平稳，减小了切削力和切削热，表面粗糙度为r a l 5 0 8 “m ，但当前角加大到2 5 0 后，容易产生扎刀和崩刃现象，表面粗糙度也 增大。因此，前角如果过大，刀尖将变弱，易崩刃，并引起表面恶化。 ( 2 ) 后角拉削不锈钢和铁基高温合金时，= 2 。4 0 ；拉削镍基 高温合金和钛合舍时，a o = 3 。6 0 ；外表面拉刀可增大到口。= 8 0 1 0 0 ，但 前角要适当减小。若后角过小时，因这些材料的导热性差，且弹性恢复大， 后刀面与已加工表面的摩擦增大，会严重影响拉刀的耐用度和工件表面质 量。 同样，后角过大，会使刃磨次数减小，拉刀寿命降低。前、后角同时过 大，则使刀齿强度和刚性减弱，造成崩齿。表5 2 表示涡轮盘开槽拉刀不同 前、后角的试验情况。 ( 3 ) 齿升量a ，拉削不锈钢时a ，= o 0 1 t o 0 4 m m 。在采用大前角，大 齿距的条件下，可适当加大d ，使刀齿超过冷硬层进行拉削，通常冷硬层 深度为0 0 1 3 0 0 3 m m ，在生产中选用a ，= 0 0 5 n o 0 7 n u n ，拉削情况良好， 可改善加工质量，提高拉刀的耐用度。试验证明，当a ，过小，由于刀齿存 在一定的刃口圆弧半径，使刀齿呈负前角进行挤刮，切屑不能正常卷曲。当 a ，增加时，则切屑的卷曲由小卷变成大卷，对于高温合金，租拉时可取口， = 0 0 4 o 1 5 m m ，常用值为0 0 5 o 0 9 m m ，粗拉榫槽一般取口，= o 0 2 m m ，精 拉时口，2 0 0 1 o 0 2 m m 。 ( 4 ) 齿距p拉削不锈钢，p ；( 1 5 1 6 ) c o 。拉削高温合金，p 要增大，其粗拉的齿距和槽深为p = 2 厶，h = o 7 毛。在拉削不锈钢、高 温合金和高强度合金钢时，选用大前角、大齿升量和大齿距，可在减小表面 粗糙度、提高拉刀耐用度方面获得良好的结果。表5 3 为高速钢花键拉刀对 几种难加工材料的试验结果。 西南交通大学硕士学位论文 第1 5 页 2 ) 容屑槽和刀齿形状的改进 拉削高温合金时，拉刀容屑槽的合理形状需要进一步研究。通过高速摄 影对拉削g h l 3 6 高温合金材料切屑卷曲过程的观察，清楚地看到切屑卷曲半 径是逐渐减小，属于强迫卷屑，而且切屑不是沿着前刀面和槽底圆弧面卷曲， 而是切屑伸长碰到槽底受阻或受挤压，切屑弯折或折断，形成不规则的多边 形。切屑与前刀面在拉削过程中的实际接触长度只有刃口附近很短的一段长 度c ，如图2 4 a 。长度c 是随着工件材料的塑性、齿升量的增大和拉削速 度的减小而增大。切屑卷曲一段再与齿背接触，可见对切屑卷曲起决定性作 用的是前刀面的一小段长度c 上的几何参数。 表2 - 2 涡轮盘开槽粗拉刀不同前，后角实验情况 打舟精舟拉嘲遣韭一次刃后刀坷焉揖带 廖号 工秤材辩 拉捌情辊 y 。口( r a * r a i n 拉喇件教竞赛r a m 荔牯) 】有椒捌霜、摊动 o h l i1 较太，切叠瞄刀萄a r 件褒