（机械电子工程专业论文）滚刀CADCAM软件开发.pdf

西安工业大学 硕士学位论文 滚刀cad cam软件开发 姓名 蒋进科 申请学位级别 硕士 专业 机械电子工程 指导教师 劳奇成 20080513 滚刀c a d c a m 软件开发 学科 机械电子工程 研究生签字 瓠喇 指导教师签字 呖暂 亨 摘要 数控机床的普及 柔性制造系统的建立 给传统的机械制造行业带来了巨大的影响 使得传统的设计方法己不适应现代化的需要 现代制造业向小批量 多品种 高精度方向 转变 针对某一具体产品的高精度齿轮刀具需求越来越大 制造像蜗轮滚刀等高质量复杂 刀具有两个问题需要解决 一是蜗杆螺旋面的精确加工 二是蜗轮滚刀齿廓与相应蜗杆的 一致 这就使得蜗杆和蜗轮滚刀都必须采用磨削加工 以提高螺旋面的几何形状精度 表 面粗糙度 和齿面硬度 目前 国外刀具行业在设计制造领域具有一定的垄断地位 刀具 c a d c a m 系统的研发应立足于国内 实行自力更生 本文正是基于z k z a 蜗轮滚刀 螺旋面的精确设计与加工展开对滚刀c a d 删软件开发 主要介绍了z k 型蜗轮滚刀 c a d 系统和铲磨z a 型滚刀的砂轮修形c a m 系统 首先 在z k l z k 2 型蜗杆和蜗轮空间啮合原理基础上 分别构建数学模型 推导出 蜗杆的齿面方程 求解法向和轴向齿形点 拟合出滚刀轴向和法向齿形曲线 完成了滚刀 结构参数的设计及工程图的参数化自动绘制 详细介绍工程图中各视图绘制模块 精确建 立z k 蜗轮滚刀的三维实体 可用于蜗轮蜗杆副传动有限元分析和动力学分析 其次 从螺旋面成型原理出发 建立基本蜗杆为z a 型滚刀的铲磨砂轮数学模型 推 导出铲磨砂轮轴向截形方程 计算出砂轮轴向截形点 完成轴向截形n c 代码设计及刀具 路径的仿真 并提出了图形和文本两种砂轮截形数据的修改方法 解决了砂轮修形及铲磨 加工过程中的误差补偿 该软件各模块通过了一般的测试 运行稳定 基本达到设计要求 关键词 z k 蜗轮滚刀 铲磨砂轮 c a d c a m 螺旋面 齿形 s t u d y i n go f t h ec a d c a m s o f t w a r eb a s e do nh o b d i s c i p l i n e m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e 3 九 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e l 毳t d a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo fc n cm a c h i n ea n de s t a b l i s h m e n to ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m t r e m e n d o u si m p a c to nt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e sh a sb r o u g h t o u t m o d e r n m a n u f a c t u r i n g i s t ob et h ed i r e c t i o no fs m a l l q u a n t i t i e s v a r i e t i e s a n d h i g h p r e c i s i o n t h er e q u i r e m e n t so fh i g h p r e c i s i o ng e a rh o bw h i c hi s as p e c i f i cp r o d u c ti s g r o w i n g w h e nm a n u f a c t u r e r i n gs u c hh o b t w oq u e s t i o n sm u s tb ea d d r e s s e d f i r s t t h es c r e w w o r ms h o u l db ep r o c e s s e da c c u r a t e l y s e n c o n dw o r mh o bt o o t hp r o f i l es h o u l db ec o n s i s t e n tw i t h t h ec o r r e s p o n d i n gw o r m w h i c hm a k e sb o t ht h ew o r ma n dw o r mw h e e lh o bm u s tb eg r i n d e d s o a st om a k eg e o m e t r ya c c u r a c y r o u g h n e s s a n dh a r d n e s so ft h es p i r a ls u r f a c eb e t t e r a t p r e s e n t f o r e i g ni n d u s t r yi nt h ef i e l dh a sas t r o n g l ym o n o p o l i e dp o s i t i o n 8 0c a d c a ms y s t e m o ft o o ls h o u l db ep r i m a r i l yd e v e l o p e ds e l f r e l i a n t l yo nd o m e s t i c i nv i e wo ft h i s t h i sp a p e ri s j u s tb a s e do nt h ed e s i g na n dm a n n u f a t u r i n go fs p i r a ls u r f a c eo fz ka n d z aw o r mh o b f o c u s e d o nt h ew o r mh o bc a ds y s t e ma n dr e l i e fw h e e im o d i f i c a t i o nc a ms y s t e mb a s e do nh o bo f w h i c hw o r mt y p ei sz 八 f i s t l y b yu s i n gm e s h i n gp r i n c i p l ew h i c hb a s e do nb o t hz k l 一w o r ma n dz k 2 w o r ma n d w o r mw h e e l s am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d a n dp r o f i l ee q u a t i o ni se l a b o r a t e d a n dp o i n t s w h i c hi so na x i a lp r o f i l ei sf i ti n t oac u r v e sw i t hl e a s ts q u a r el i n e s b e s i d e s t h ep a r a m e t e r s d e s i g no fh o bs t r u c t u r e i s c o m p l e t e d e n g i n e e r i n gd r a w i n g so fh o bw h i c hi s b a s e do n p a r a m e t e r si sr e a l i z e da u t o m a t i c l y t h ed r a w i n g o ft h r e ev i e w si se l a b o r a t e d t h es o l i do fh o bi s c o n s t r u c t e d a n dc a nb eu s e dt oa n a l y s i s e df m i t ee l e m e n t t h e n b yu s i n gh e l i c o i d a lp r i n c i p l e ar e l i e fg r i n d i n gw h e e lo fz aw o r m h o bi sb u i l t o n t h i sb a s i s t h ec u r v e so ft h ea x i a lp r o f i l eo fg r i n d i n gw h e e li se l a b o r a t e dw i t ht h ep r o f i l e e q u a t i o nb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h et o o lp a t ho fr e l i e fg r i n d i n gw h e e lw a ss i m u l a t e d a n dn cc o d eo fm a c h i n i n gr e l i e fg r i n d i n gw h e e li sd e s i g n e d b e s i d e s t oe l i m i n a t et h ee r r e r w h i c hi si n e v i t a b l ew h e nc u t t i n ga n dg r i n d i n gh o b t w od i f f e r e n tm e t h o d sa r ed i s c u s s e d o n ei s c o r r e c t i n gt h ea x i a lp r o f i l eo fg r i n d i n gw h e e lb ym o d i f y i n gd r a w i n gp i c t u r ed a t a a n o t h e rb y p e r f e c t i n gd a t ao nt h ei n t e r f a c eo fa p p l i c a t i o n e a c hf u n c t i o n so ft h es o f t w a r eh a sb e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y r u ns m o o t h l y a n dt h er e s u l t i tm a k e si sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s z k w o r mh o b r e l i e f g r i n d i n g c a d c a m s p i r a ls u r f a c e p r o f i l e 主要符号表 铲背量 铲磨起始中心距 滚刀外径 滚刀底径 滚刀槽数 滚刀头数 砂轮铲形角 滚刀齿形压力角 假想锥顶点到砂轮底中心的距离 螺旋参数 前刀面螺旋参数 径向铲磨参数 齿顶高 齿全高 滚刀容屑槽槽深 滚刀分度圆升角 模数 轴向 蜗杆外径 蜗杆底径 蜗杆分度圆直径 滚刀齿根宽度 滚刀铲磨砂轮外经 两共轭曲面在接触点处法矢 齿顶高 滚刀槽形角 砂轮轴与蜗杆轴最短距离 齿距 法向 齿厚 法向 砂轮与滚刀的相对运动速度 砂轮与蜗杆的相对运动速度 两曲面相对运动转角 砂轮回转面转角 k 4 妣扔五磊 口6 p m b 玩 h a 历如嫩出口风 疗 唧凡r s n k 护 9 滚刀长度 前刀面转角 为前刀面的螺旋参数 蜗杆螺纹长度 滚刀槽形角 蜗杆头数 蜗轮头数 蜗轮外径 蜗杆径向间隙系数 滚刀容屑槽导程 滚刀槽底半径 蜗杆轴向齿形角 吼风厶唧历历如 c 丁 厂 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学 本人保证毕业离校后 使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学 大学有权保留送交的 学位论文的复印件 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签 指导教师签名 7 4 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果 不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢 学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 秀辫 艚溯鹕 锈叶 日期 2 肿艿 亏 9 7 5 1 绪论 1 绪论 1 1 刀具c a d c a m 技术发展概述 刀具技术是随着计算机技术 逐渐发展的 早在2 0 世纪5 0 年代 美国的b a r b e rc o m a n 公司和f e l l o w s 公司等 己经应用计算机进行齿轮刀具齿形的设计计算 有效地提高了齿 轮刀具的设计速度和设计精度 7 0 年代 由于计算机技术的飞速发展和刀具产品市场的 激烈竞争 刀具c a d 技术成熟并开始广泛应用 8 0 年代 刀具c a d 技术进一步发展并 开始与其它计算机辅助技术集成 成为计算机集成生产系统的技术基础 大大推动了刀具 设计与生产水平的提高 到现在己在二维绘图三维造型方面取得了很大成果 第一代c a d 系统主要用于二维绘图 它利用有关解析几何的方法来定义点线面等基本图元元素 第二 代的c a d 系统主要是二维图形交互系统和三维几何造型系统 目前还在广泛使用 第三 代c a d 系统在建模方法上发生了变化 主要采用特征建模和基于约束的参数化和变量化 建模 如p r e e n g 刑e e r 这种建模可以设计出更为复杂的更为精确的零件 目前正在 广泛使用之中 c a d 技术由传统的简单的二维绘图发展到今天基于特征的三维参数化造 型和变量化造型设计技术 它深刻影响社会各个领域的设计技术1 1 2 1 1 1 国内刀具c a d c a m 技术发展及应用 我国刀具生产部门应用计算机技术的时间和水平均比较落后 2 0 世纪7 0 年代后期 部分单位才开始应用计算机进行少量的刀具齿形计算 1 9 9 5 年之前 我国刀具c a d 系统 的研究工作主要是对c a d 系统的模型建立 算法研究和系统构成的讨论 从1 9 9 5 年到 2 0 0 0 年 在w i n d o w s 9 5 和w i n d o w s 9 8 的应用和普及的影响下 人们开始设计在视窗操作 系统下使用的刀具c a d 软件 在该阶段 刀具c a d 系统研发重点主要集中于参数化绘 图和模型库的建立 随着计算机语言的发展一些更流行的编程语言和技术开始尝试应用在 刀具c a d 系统的研发中 2 0 0 0 年以后 刀具c a d 系统的研究工作更是百花齐放 多种专用刀具c a d 软件相 继研发成功 焦作工学院与武汉煤炭设计研究院在 成形车刀的计算机辅助设计 中 提 出在a u t o c a d2 0 0 0 平台上 利用v b a 技术开发成形车刀的c a d 软件 可以大大提高 成形车刀的设计效率和设计质量 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司的球头铣刀参数化设计系 统 该系统基于u g 平台 利用u g 0 p e ng r i p 编程建立相应类型的三维实体结构模型 并用参数定义每种模型的结构尺寸 当刀具的结构尺寸发生改变时 只需要更改相应参数 是一种典型的参数化设计系统 湖北汽车工业学院和东风汽车公司合作研制了拉刀c a d 系统 该系统以拉削原理为设计依据 通过应用c b u i l d e 开发数据库和对a u t o c a d 的 二次开发 实现了拉刀设计计算 分析 绘图一体化 同时对拉刀的结构进行了优化 通 1 西安 丁业大学硕士学位论文 过使用数据库和知识库 使系统具有扩展性和智能化 提高了拉刀的设计效率 华北工学 院王海琴 吴伏家等开发出了深孔加工刀具c a d 系统 该系统以a u t o c a d 为二次开发 平台 运用基于特征的参数化设计技术 实现了深孔加工刀具的系列化 标准化设计 同 时 该系统能根据被 j n r r 件的材料 孔的加工精度 孔的直径等参数进行刀具的选择 具备一定的智能化 除此之外其他很多公司单位对刀具c a d c a m 系统也己进行研究 可以说刀具系统的研发工作在国内己经全面展开 高校 科研机构和企业单位都在积极投 入 从早期对系统的模型建立 算法研究 系统构成的讨论 之后经历视窗平台早期的参 数化绘图 模型库的建立 现在己经发展到在设计多种专用刀具时使用各种应用软件 可 以说近几年刀具c a d 系统发展取得了巨大进步和成绩l 显然 国内复杂刀具c a d 技术还处于研究和发展之中 目前尚未形成完善的商用复 杂刀具c a d 系统 三维c a d 软件与国外的如p r o e c a t i a s o l i dw o r k s u g i d e a s s o l i de d g e 等相比 无论从功能 稳定性还是界面都有很大差距 除了核心技 术未掌握外 商品化开发程度不够 工程研究尚欠深入 国内数控刀具的研制从2 0 世纪8 0 年代初开始 最早为几个机床附件厂 由于技术 设备的投入不够 对先进切削工具认识不足 起点低 多年来发展缓慢 从2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代末 国内许多知名生产刀具厂家如 成都数控刀具厂 上海机床附件 一厂等和世界上任何一家现代工具企业相比 其生产规模和市场份额都很小 且硬质合金 材料 刀片制造与刀具 工具系统制造各自为营 没有形成产业链的紧密联合 经过近几 十年的发展 我国c a d c w 技术有了很大进展 我国删c a m 软件的开发水平也逐 渐接近国外先进水平 但是整体来说我国目前刀具c a d c a m 软件不管是从产品开发水 平还是从商品化 市场化程度都与发达国家尚有不小差距 1 1 2 国外刀具c a d 洲技术进展 目前c a d 技术在先进的工业化国家已得到广泛应用 欧洲目前使用的刀具制造设备 基本上己实现数控化 刀具的设计制造已普遍采用c a d 洲c a p p 技术 操作者只需输 入刀具图号 数控加工机床即可自动从中央计算机中提取机床调整和加工工艺数据 并实 现自动加工 主要用的是基于参数化c a d 软件1 5 1 在美国 c a d 公司己超过3 0 0 多家 日本有8 5 公司已不同程度的应用了c a d 技术 c a d 的应用规模从大规模生产的企业 发展到了广泛应用于中小型民用企业 特别是近几年来c a d 软件的商品化在这些国家发 展更为迅速 如在图形系统方面 美国a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 图形软件包 其强大 的图形与图形编辑功能 良好的二次开发性以及使用方便性已经流行于世界各地 此外 p t c 公司推出的p r o e 软件是第一个采用参数化的c a d 软件 第一次实现尺寸驱动零件 才充分体现其在许多通用零 部件设计时存在简便易行的优势 随后c a t i a s o l i dw o r k s u g i d e a s 等三位参数化绘图软件占领着全球制造业c a d 软件市场 国外的汽车 航空航天 造船和机床等行业已全面采用三维c a d 软件进行产品虚拟设计和制造 有的 企业能实现无图纸加工 2 西安 r 业人学硕士学位论文 国外数控刀具市场已经走向专业化 社会化刀具管理模式 在当今经济全球化时代里 众多大型跨国工具公司已占有越来越明显的技术 资源 信息 服务综合优势 占领了中 国9 0 以上的数控刀具市场 f 7 国外刀具行业在许多方面优于国内 首先切削工具材料 和涂层技术都有了很大进步 工具材料领域满足t n 造高速加工所需的超硬工具 涂层的 发展也很大程度上延期了工具的使用寿命 其次工具系统结构采用支持高速机械加工的 h s k 工具系统 提高了系统的刚性和稳定性以及在高速加工时的产品精度 缩短刀具更 换时间 更加适应了机床加工 进而刀具质量与精度也有了很大提高 这就进一步提升制 造业的精度水平 国外许多切削工具供应商注重发展其核心业务 通过重组和收购扩大业 务范围 经营理念已经开始转变为积极为顾客的生产效率的提高提供优质服务 让顾客得 到价廉物美的产品与服务 做顾客提高生产力的伙伴 1 1 3 刀具技术发展趋势 刀具技术的发展是随计算机电子的发展而发展的 其趋势主要为刀具智能系统 刀具 系统的集成以及刀具系统的网络协作 8 j 1 刀具智能系统传统的系统主要用于设计计算和绘图 当用于包涵判断 经验决 策及其它概念设计等的设计过程时 就显得比较困难 因此 智能系统的出现就显得尤为 重要 智能系统是以人工智能 专家系统技术为基础 综合运用系统工程 软件工程 模 糊数学等先进技术来开发的一种具有高智能性 透明性 可维护扩充的系统 它是c a d 技术与人工智能 专家系统相结合的产物 智能是技术的一个重要研究领域 但是设计领 域的智能系统并不多见 刀具智能系统基于常规的理论 将人工智能技术引入刀具设计领 域 集中刀具设计与加工等多种学科技术与知识 建立专家系统 采用实时提取技术 使 用户在设计过程中可以随时获取相关的信息 专家系统是刀具智能系统的核心 它包含了 刀具行业的先进经验 各种刀具设计的精华 集合了各种刀具标准资料 使刀具设计具有 专家水平 刀具智能系统是刀具系统的一个重要发展方向 2 刀具洲c m a p p 系统集成国外的主要刀具厂已经普遍采用刀具 c a d 厂c a m 佗a p p 技术 如何把刀具制造中的c a d c a m c a p p 技术集成起来 真正发挥 c a x 技术在刀具制造系统中的作用是刀具c a d c a m c a p p 系统集成需要解决的问题 刀具c a d c a m c a p p 系统集成后 操作者只需要输入刀具图号 数控加工机床即可自动 从中央计算机提取机床调整参数和相应工艺数据 实现自动加工 利用先进c a x 信息技 术 将刀具的加工和测量检测融为一体 构成了一个刀具的闭环制造系统 3 刀具系统之间的网络协作今天的计算机网络不仅仅是简单地联接众多的计算机 更重要的是联接着无数的信息 人与人之间的智能 计算机网络从根本上改变了信息获取 接受和分配处理的方式 这种环境下 要求软件能在网络环境下支持协同设计 异地设计 和信息共享 传统的刀具系统通常独立的完成设计工作 各个系统之间不能彼此交流协作 这造成了系统的极大浪费 也使产品设计效率降低 支持网络环境下的刀具系统具有高效 率和高效益的特点 具有巨大的现实意义和经济意义 然而 不同的c a d 系统的图形文 3 西安工业大学硕士学位论文 件格式并不相同 个c a d 系统的文件 在另一个c a d 系统中显示就显得比较困难 在这种情况下 就需要一种好的底层结构 一种恰当的信息交流工具和一种标准的产品数 据表示法 而且这种底层结构 这种信息交流工具以及这种标准产品数据表示法能够被大 多数c a d 系统接受 目前 存在着几种数据交换标准 s t e p 如i g e s s e t e d i f 等等 使用最为广泛的是i g e s 1 1 4 刀具c a d 系统组成 c a d 系统是以计算机硬件为基础 系统软件和支撑软件为主体 应用软件为核心的 面向工程设计问题的信息处理系统l 9 1 系统软件系统软件主要分为以下两种 操作系统用于计算机管理 维护 控制以及计算机程序的翻译 装载与运行 常 见的有d o s u n i x w i n d o w s 9 5 9 8 w i n d o w sn t w i n d o w s 2 0 0 0 等 开发应用软件所用的开发工具其功能是将高级语言编写的程序翻译成计算机能 够直接执行的机器指令 目前比较流行的有v i s u a lc v i s u a lb a s i c v i s u a lj d e l p h i 等 集成编译系统 2 支撑软件主要满足c a d 工作中的一些用户共同需要而开发的通用软件 由于计 算机应用领域的迅速扩大 支撑软件开发研制已有很大的进展 商品化支撑软件层出不穷 通常分为以下几类 主要用于工程设计中的各种数值计算问题 其中比较流行的有a n s y s n a s t r a t c o s m o s 以及动力学分析软件a d a m s 等 如u g p r o e i d e a s c a t i a s o l i d w o r k s s o l i d e g d e m d t 等 这些软件 能够生成三维实体图和二维平面图 但是 这不是它们的全部功能如u g p r o e 是将计 算机辅助设计 计算机辅助分析 计算机辅助制造集成于一体的参数化软件 这些软件为 通用工程设计提供技术手段 同时为专业设计提供二次开发的技术平台 应用软件用户利用计算机所提供的各种系统软件和支撑软件 编制解决用户各种 实际问题的程序 如模具设计 机械零件设计 机械传动设计 建筑设计 服装设计飞机 和汽车的外形设计等 都己开发出相应的应用软件 但都有一定的专用性 1 1 5c a d 系统数据处理一般方法 1 程序化处理在程序内部对数据表进行查询计算 具体可通过将数据表中的线图 或数据经过离散化采用数组的形式存入计算机 然后可用查表或插值的方法检索所需的数 据 或者将数据表或线图拟合成公式 编制计算程序求得所需数据 2 数据文件管理将数据资料编入程序使用方便 但数据依赖于程序存在 若要修 改数据则要修程序 若其他程序也需要同样的数据资料 只有重复处理于各自程序无法共 享 因此对于需要频繁修改或系统内应用程序之间共享的数据常采用文件管理的方法 文 件可以独立于应用程序而存在 要修改文件中的程序不会影响应用程序 只要各应用程序 4 西安工业大学硕士学位论文 了解文件的格式 就可以使用其中的数据资料 3 数据库存储管理当某些数据资料需要在不同系统间共享且数据量大 结构复杂 操作要求较高 数据文件的管理方式就难以满足需要了 数据存储时将数据表或线图中读 数据按数据库的规定结构输入计算机 存放在数据库中 这些数据独立于应用程序 但又 可以为应用程序服务 1 2 课题来源与背景 刀具行业是一个比较特殊的行业 肩负着为制造业提供关键装备 制造业的技术达到 怎样的水平往往会受刀具行业整体发展水平的影响 相应的制造业的发展也会促进刀具行 业的发展 两者是相互影响相互制约 随着经济全球化进程的不断加快 市场竞争的日益激烈 工程制造业面对的市场和社 会环境发生了根本变化 消费者需求日趋多样化 产品的型号规格不断增多 产品生命周 期越来越短 技术含量更高 传统的生产方式受到了挑战 一系列现代制造技术由此得到 了发展 我国是一个制造业大国 在知识经济和全球经济一体化的背景下 在新一轮国际 产业结构调整中 我国正逐渐成为世界最重要的制造业基地之一 现代制造业 加工工业 正逐渐移至我国1 1 0 因此服务于现代制造业的工具行业面临重大的机遇和挑战 一方面 本土化的市场容量大了 另一方面作为提高制造效率和精度的手段 现代制造业对刀具提 出了更高的要求 目前 工业发达国家都把先进制造技术作为关键和优先发展领域 为发 展先进制造业 发达国家都十分重视刀具技术的发展和提高 随着当前计算机技术 信息 技术 网络技术的发展 刀具技术与计算机技术 信息技术 网络技术的结合成为刀具设 计研发的热点 数控技术的发展使得传统千篇一律的标准化刀具 已经无法满足现代制造业对提高效 率和降低成本的强烈追求 这种市场需求变化 形成了强大的压力 迫使工具工业不得不 放弃传统的标准化生产模式 转向迎合现代制造业要求的 高精度 高效率 高可靠性和 专用化 的发展道路 所谓 三高一专 的新模式 三高一专 的工具技术和服务水平 日新月异的发展 成为企业竞争的焦点 谁发展慢一点 就要被淘汰出局 这种竞争的结 果 使国际工具工业的发展日趋集中化 具有强大研发能力和经济实力的企业脱颖而出 成为推动和领导行业发展的主力 所以 进入现代发展阶段以后 任何一家忽视科技进步 的工具企业都将被淘汰出局 国外刀具行业在刀具设计制造领域具有一定的垄断地位 如瑞典的s a n d v i c 德国的 w a l t e r 和日本的o s g 等公司 一直不惜巨资应用最新科技成果对企业进行技术改造 力 求使刀具上市速度更快 质量更高 成本更低 服务更好 使产品在整个国际市场上更具 竞争力 三维c a d c a m 集成技术正是他们着力应用和发展的核心技术 现在已达到虚 拟制造水平 v m 在我国以汽车工业为代表的现代制造业所需的精密复杂数控刀具市场 中 进口刀具占9 0 以上的份额 国内传统的工具厂由于信息化水平落后 不但不能快 5 西安工业大学硕十学位论文 速响应市场 而且根本不能满足现代制造业对数控刀具的 三高一专 品质要求 因此 不仅在国际数控刀具市场中没有位置 还将迅速丧失本土化市场中本已很少的份额 所以 刀具c a d c a m 系统的研发应主要立足于国内 实行自力更生 滚刀作为最常用的齿轮 刀具 研制滚刀 c a m 系统有着重大的现实意义 本文是基于 重庆齿轮厂 和 汉江工具厂 研发项目之一进行滚刀唰c a m 软 件的研究与开发 1 3 选题目的及意义 实际加工中为了制造蜗轮加工刀具就需要知道与蜗杆相匹配的蜗杆的法向或轴向齿 形 阿基米德蜗杆不便于磨削加工 渐开线蜗杆需要专用的渐开线蜗杆磨床 锥面包络圆 柱蜗杆 采用轴向剖面为梯形的砂轮或指状锥形砂轮加工而成 磨削精度较高 砂轮的母 线为直线易于修整 其工艺简单 传动性能优越 对于需要磨削加工的蜗杆大都采用此种 蜗杆 该蜗杆副具有良好的接触状态及啮合性能 其效率 承载能力和使用寿命比国内的 这些蜗杆高 因此有广的应用价值 本文在滚刀c a d 系统里介绍了z k 蜗轮滚刀的设计 该模块来自 重庆齿轮厂 研发项目之一 我国汽车工业得到迅猛发展 目前国内高精度数控刀具如滚刀年需求总量很大 但国 内传统的工具厂由于信息化水平落后 不能满足现代制造业对数控刀具的 三高一专 品 质要求 特别是在制造蜗轮滚刀这样的复杂刀具 螺旋面的精确加工必须采用砂轮磨削 砂轮齿廓的正确性至关重要 国内一些大的工具厂依靠购买国外砂轮修形软件来保证砂轮 齿廓的精度 这使得国内刀具不仅在国际数控刀具市场中没有位置 还将迅速丧失本土化 市场中本己很少的份额所以刀具g c a m 系统应立足国内 为了填充这份空白 很有 必要开发刀具刀具叫c a m 研制滚刀删c a m 系统有着重大的现实意义 c a d c a m 技术的开发和应用克服了传统力n r 的弊端 使得无论在设计精度 设计速 度 图像质量和出错率等方面都有传统的设计方法无法比拟的优点 实现设计的科学性和 创造性 是加快产品更新换代提高企业市场竞争能力的一项关键技术和强大的工具也是企 业参与国际竞争的必要条件 叫c a m 技术作为信息技术的一个重要组成部分 是促进 科研成果的开发和转化 加快国民经济发展和国防现代化的一项关键性技术 深化应用 c a d c a m 集成技术 充分利用先进的设计制造手段 以提高产品的快速设计制造能力 缩短产品的研发周期 是工具行业急需解决的重要课题之一 同时也是实现工具行业升级 和跨越式发展的必由之路 1 4 课题研究主要内容及重点 论文的主要研究内容如下 1 采用面向对象的程序设计方法 建立了滚刀c a d c a m 系统的总体框架 对系 统的主要功能进行模块划分 并对各模块的进行详细的介绍与分析 6 两安工业大学硕士学位论文 2 建立了z k l z k s 型蜗轮滚刀数学模型 根据空间啮合原理求解其法向和轴向齿 形点 3 针对滚刀通用结构 采用面向对象的程序设计方法 建立滚刀结构的模块化编 程界面 结合a u t o c a d 绘图软件提供的a u t ol i s p 语言完成了蜗轮滚刀工程图的参数化 自动绘制 详细介绍工作图中各视图绘制 两种语言之间的数据传递等的实现方法 并 通过a u t o c a d 软件完成滚刀工程图的绘制 4 采用p r o t o o k i t 二次开发技术 建立了滚刀三维参数化设计模型 该模型可用 于有限元分析 实现了数控刀具结构的优化设计 5 建立基本蜗杆类型为z a 的滚刀的铲磨砂轮数学模型 推导出铲磨砂轮轴向截 形方程 计算出砂轮轴向截形点 完成轴向截形n c 代码设计及刀具路径的仿真 在 a u t o c a d 平台上 检验生成砂轮曲线及n c 程序的正确性 6 通过文本和图形两种砂轮理论截形修改方式来消除滚刀实际铲磨和滚轮修形砂 轮过程中的误差 实现了滚刀的快速精确制造 本文的重点和难点是 2 5 和 6 1 5 本章小结 本章介绍了刀具c a d 技术的发展 内涵 应用现状 发展趋势及国内外高精度数控 刀具删洲系统的发展现状 从先进制造技术对c a d 的影响 先进设计方法在c a d 中的应用以及齿轮刀具设计理论和方法的复杂性几个方面论述了开发一个实用 高效 正 确的c a d c a m 系统的必要性和迫切性 7 2 蜗轮滚刀设计理论 2 蜗轮滚刀设计理论 实际加工中为了制造蜗轮加工刀具就需要知道与蜗杆相匹配的蜗杆的法向或轴向齿 形 锥面包络圆柱蜗杆 采用轴向剖面为梯形的砂轮或指状锥形砂轮加工而成 磨削精度 较高 砂轮的母线为直线易于修整 其工艺简单 传动性能优越 对于需要磨削加工的蜗 杆大都采用此种蜗杆 目前 国内对锥面包络蜗杆的研究还大多集中在啮合原理 啮合特 性等方面 对其加工和应用虽然也进行了研究 并取得了一定的成果 1 1 2 1 1 但仍有许多问 题有待于进一步深入和系统研究 锥面包络蜗杆与阿基米德蜗杆 渐开线蜗杆 法向直廓 蜗杆相比是一种新型的蜗杆传动类型1 2 2 1 其效率 承载能力和使用寿命比国内的这些蜗 杆高 并且该蜗杆副与其它蜗杆副相比具有良好的接触状态及啮合性能 因此有广泛的应 用价值 本章对其啮合理论作了系统的分析 2 1 蜗轮滚刀设计原理 蜗轮滚刀与普通齿轮滚刀在设计理论上有很多相似之处 但它也有自己的设计特点 蜗轮滚刀是一种专用刀具 不具有通用性 同所有切削刀具一样 蜗轮滚刀必须有切削刃 在滚刀的基本蜗杆上开出若干条容屑槽 形成滚刀前刀面 前刀面与齿侧铲面的交线为滚 刀的刃口曲线 而前刀面与滚刀基本蜗杆螺旋面的交线是滚刀刃1 3 的理论曲线 2 3 之6 1 传统 制造滚刀的方法是滚刀的后刀面用铲削铲磨的方法加工 它仅比加工蜗杆时多出一个铲进 运动 而这可由一凸轮机构即可实现 2 1 1 蜗轮滚刀设计特点 滚刀加工蜗轮的过程是模拟蜗轮与蜗杆的啮合的过程 蜗轮滚刀相当于原始蜗杆 只 是在其上做出切削刃 这些切削刃在蜗杆的螺旋面上 这个蜗杆亦称为滚刀的基本蜗杆 根据这一原理 滚刀的基本尺寸 模数 齿形角 螺旋升角 螺旋方向 螺纹头数 齿距 分度圆直径都应于原蜗杆相同 滚刀与蜗杆的轴交角及中心距亦等于原蜗杆与蜗轮的轴交 角及中心矩 显然蜗轮滚刀的原始刀具面就是工作蜗杆的螺旋面 工作蜗杆称为蜗轮滚刀 的基本蜗杆 蜗轮滚刀的切刃应分布在基本蜗杆的螺旋齿面上 另外 为了容屑 排屑使蜗 轮滚刀有较好的切削条件 滚刀必须开有前刀面后刀面 滚刀的前刀面有直槽和螺旋槽两 种 螺旋槽的前刀面一般是阿基米德螺旋面 当前角y o 时 它的旋向与基本蜗杆齿面的旋 向相反 后刀面一称铲背面 蜗轮滚刀的切削刃就是基本蜗杆的螺旋面 前刀面和铲背面 3 个面的交线 切削刃上任一点的坐标都必须同时满足这3 个曲面的方程 基本蜗杆螺旋 面 前刀面和铲背面的3 个曲面中 基本蜗杆螺旋面是最主要 最基本的一个面 蜗轮滚刀是一种非标准的专用工具 一把蜗轮滚刀 或飞刀 只能解决一对蜗轮蜗杆 副中蜗轮的加工问题 换一种条件就不能使用 在生产实践中 加工出的蜗轮蜗杆副出了问 8 西安工业大学硕士学位论文 题 大多是由于蜗轮滚刀 或飞刀 的原始刀具面与工作蜗杆的螺旋面的类型和参数不相符 而造成的 为了能切出正确的蜗轮齿形 滚刀的刃口曲线应符合刃口的理论曲线 即滚刀的 刃口应准确地分布在基本蜗杆的螺旋面上 既使重磨后也应如此 2 1 2 蜗轮滚刀基本蜗杆类型 1 阿基米德圆柱蜗杆 z a 蜗杆 在垂直于蜗杆轴线的平面 即端面 上 z a 蜗杆的 齿廓为阿基米德螺旋线 在包含轴线的平面上的齿廓 即轴向齿廓 为直线 法向齿廓为凸 廓曲线 它可在车床上用直线刀刃的单刀或双刀车削加工 安装刀具时 切削刃的项面必 须通过蜗杆的轴线 这种蜗杆磨削困难 当导程角五较大时加工不便 2 法向直廓圆柱蜗杆 z n 蜗杆 蜗杆的端面齿廓为延伸渐开线 轴向齿廓微呈凹形 曲线 法面齿廓为直线 z n 蜗杆也是用直线刀刃的单刀或双刀在车床上车削加工 切削 蜗杆时 直线刃成型刀具所在的平面垂直于通过分度圆柱上齿槽或齿厚中点处的螺旋线 并在该点与蜗杆轴线倾斜一个分度圆导程角 这种蜗杆磨削起来也比较困难 3 渐开线圆柱蜗杆 z l 蜗杆 蜗杆的端面齿廓为渐开线 在切于基圆柱的轴截面内 齿廓一侧为直线 另一侧为凸形曲线 它相当于一个少齿数 齿数等于蜗杆头数 大螺旋 角的渐开线圆柱斜齿轮 z i 蜗杆可以用两把直线刀刃的车刀在车床上车削加工 刀刃顶 面应与基圆柱相切 其中一把刀高于蜗杆轴线 另一把刀则低于蜗杆轴线 刀具的齿形角 应等于蜗杆的基圆柱螺旋角 这种蜗杆可以在专用机床上磨削 4 锥面包络圆柱蜗杆 z k 蜗杆 z k 蜗杆是一种非线性螺旋齿面蜗杆 它不能在车床 上加工 只能在铣床上铣制或在磨床上磨削 加工时 除工件作螺旋运动外 刀具同时绕 自身的轴线作回转运动 这时 铣刀 或砂轮 回转曲面的包络面即为蜗杆的螺旋齿面 在 轴截面和法截面上的齿廓均为曲线 这种蜗杆便于磨削 蜗杆的精度较高 5 圆弧圆柱蜗杆传动 z c 蜗杆 z c 蜗杆是一种非直纹面圆柱蜗杆 其齿面一般为 圆弧形凹面 z c 蜗杆传动可分为圆环面包络圆柱蜗杆传动和轴向圆弧齿圆柱蜗杆传动两 种类型 1 圆环面包络圆柱蜗杆该蜗杆齿面是圆环面砂轮 砂轮轴平面上刀具产形线是圆 环面母圆上的一段圆弧 与蜗杆作相对螺旋运动时 砂轮曲面族的包络面 圆环面包络圆 柱蜗杆传动又分为两种类型 z c 蜗杆齿面是由圆环面 砂轮 形成的 蜗杆轴线和砂轮 轴线的抽交角等于蜗杆分度圆柱导程角 该二轴线的公垂线通过蜗杆齿槽的某一位值 砂 轮与蜗杆齿面的瞬时接触线是一条固定的空间曲线 z c 2 蜗杆齿面是由圆环面 砂轮 形成的 蜗杆轴线和砂轮轴线的轴交角为某一角度 该二轴线的公垂线通过砂轮齿廓曲率 中心 砂轮与蜗杆齿面的瞬时接触线是一条与砂轮的轴向齿廓互相重合的固定的平面曲 线 2 轴向圆弧齿圆柱蜗杆 z c 3 蜗杆齿面是由蜗杆轴向平面内的一段凹圆弧绕蜗杆 轴线作螺旋运动时形成的 也就是将凸圆弧车刀前刃面置于蜗杆轴向平面内 车刀绕蜗杆 轴线作相对螺旋运动时所形成的轨迹曲面 q 西安t 业大学硕十学位论文 与上述各类蜗杆配对的蜗轮齿廓 则完全随蜗杆的齿廓而异 蜗轮一般是在滚齿机上 用滚刀或飞刀加工的 为了保证蜗杆和蜗轮能j 下确啮合 切削蜗轮的刀具齿廓 应与蜗杆 的齿廓一致 滚切时的中心距 也应与蜗杆传动的中心距相同 2 1 3 蜗轮滚刀进给方向 蜗轮滚刀有两种走到方式 径向走刀与切向走刀 径向走刀加工蜗轮 滚刀每转一周 蜗轮转过的齿数等于滚刀头数 同时滚刀沿蜗轮径向逐渐切入齿坯 当到达中心距 继续 运转 直到完全包络出蜗轮齿形为止 当用切向进给时 首先将滚刀和蜗轮中心距调整到 规定的中心距 滚刀沿本身轴线方向切入齿坯 同时还作展成运动 滚刀每转一周 蜗轮 除了必须转过与滚刀头数相等的齿数外 蜗轮还需一个附加转动 如滚刀沿轴线移动z 距离 则蜗轮附加角为了f 2 2 为蜗轮分度圆半径 切向走刀为了改善切削条件 滚刀 前端应作出切削锥度 切削锥角一般取1 1 一1 3 0 切向进给时可以提高齿面光洁度 但加 工效率较低 但加工精度特别高蜗轮时 宜采用径向进给法 用切向进给法加工蜗轮应具备以下两个条件 滚刀齿机必须有切向刀架 需蜗杆径像装配时应满足 t a na 工1 t a na 4 r a1xr a l 一 1 r l 厂4 1 2 1 式中 口x 1 蜗杆轴向齿形角 1 蜗杆顶圆半径 m m 1 蜗杆分度圆半径 m m 2 2 蜗轮滚刀结构参数设计 2 2 1 蜗轮滚刀基本尺寸 1 滚刀外径如 滚刀外径大于蜗杆外径以便用钝刃磨后仍有必要的径向间隙通常按 下式计算 d a o d a l 2 c 0 1 m 2 2 对于粗加工的蜗轮滚刀的外径 可根据粗加工后的精加工工艺方法确定 2 滚刀底径蛳d f o 奶滚刀刀齿强度不足时 可取d f o 嘶但要保证滚刀底径和卑 怯蜗轮的外径至少0 1 m 的间隙 3 滚刀容屑槽形式滚刀的容屑槽有直槽和螺旋槽两种 为了便于制造和刃磨 当 螺纹升角玲5 度为了使滚刀有均匀的前角 做成螺旋槽 螺旋角知 五 方向相反 否则 做成直槽 4 滚刀槽数z k 对径向进给的蜗轮滚刀槽数 可根据被加工蜗轮的精度按下列要求 初步选取 加工6 级精度以上的蜗轮时 取z k 1 2 加工7 级精度以上的蜗轮时 取z k 1 0 加工8 级精度以上的蜗轮时 取z k 8 加工9 级精度以上的蜗轮时 取z k 6 1 n 西安 t 业火学硕士学位论文 初步选取后 为使滚刀应有的刃磨次数和刀齿强度得以保证 还必须符合下列要求 加工7 级精度以上的蜗轮时 b h o 3 5 加工8 9 级精度以上的蜗轮时 b h o 4 5 对于切向蜗轮滚刀 主要应根据刀齿强度来确定滚刀的槽数 般应满足b h o 6 o 8 5 滚刀铲背量k 与硒当九 1 5 度时 k 暑 r d a o t a n 知c o s a 及 2 3 当九 1 5 度时 k r d a o t a n 知 z k 2 4 滚刀齿形需要铲磨时 则采用二次铲背量蜀 硒 1 引孓1 5 k 计算出的k 和墨应圆整到 0 51 1 1 1 1 1 6 滚刀容屑槽深 对铲磨滚刀 h h a 0 5 硒 脚 0 5