硬质合金可转位浅孔钻优化设计及CAD原型系统研究.pdf

制造技 3 Z 艺装备 现代制造工程 M o d e r nM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 2 0 1 2 年第6 期 硬质合金可转位浅孔钻优化设计 及C A D 原型系统研究 刘小莹 周利平 陈朴 尹洋 西华大学机械工程及自动化学院 成都6 1 0 0 3 9 摘要 以提高浅孔钻加工性能 促进浅孔钻批量化生产为目标 对刀体上装有两个等边不等角六边形硬质合金可转位刀 片的浅孔钻进行研究 采用向量矩阵法建立切削部分几何模型 采用经典斜角切削理论和经验公式相结合的方法建立 浅孑L 钻的力学模型 基于上述数学模型 以径向合力与扭矩最小为优化目标建立优化程序 在给定已知条件下求出不同 切削用量 不同直径条件下的浅孔钻内 外刀片的最优空间位置 并进行分析 最后 基于理论分析与实验数据 建立可 转位浅孔钻的参数化C A D 原型系统 关键词 可转位浅孔钻 几何模型 力学模型 优化设计 C A D 系统 中图分类号 T P 3 9 1 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 l 3 1 3 3 2 0 1 2 0 6 0 0 7 2 0 6 O p t im iz a t io nd e s ig no fd r illsw it hc e m e n t e dc a r b id ein d e x a b lein s e r t sa n d d e v e lo p m e n to ft h eC A Dp r o t o t y p es y s t e m L iuX ia o y in g Z h o uL ip in g C h e nP u Y inY a n g S c h o o l o fM e c h a n ic a l E n g in e e r in ga n dA u t o m a t io n X ih u aU n iv e r s it y C h e n g d u6 1 0 0 3 9 C h in a A b s t r a c t T oim p r o v et h ep r o c e s s in gp r o p e r t ie so fin d e x a b led r illsa n dp r o m o t eit sm 8 8 sp r o d u c t io n t h ed r illsw it ht w oc e m e n t e d c a r b id eh e x a g o nin s e r t sh a v eb e e nr e s e a r c h e d V e c t o rm a t r ixm e t h o dW a Sa d o p t e dt ob u ildu pt h eg e o m e t r em o d e l f o rc u t t in g e d g e a n dt h ef o r c em o d e lw a se s t a b lis h e db a s e do nt h ec o m b in a t io no fc la s s ic a lo b liq u ec u t t in gt h e o r ya n de m p if ie Mf o r m u la e A c c o r d in gt ot h em a t h e m a t ic a lm o d e la f o r e m e n t io n e d t h em in im iz a t io no fr a d ic a lf o r c ea n dt o r q u ew a st o o ka so p t im iz a t io ng o a l a n dt h eo p t im iz a t io np r o g r a mw a sp r o p o s e d B a s e do nt h eg iv e nc o n d it io n s t h eb e s ts p a c ep o s it io no fin n e ra n do u t e rin s e r t s0 1 1t h e d r ill b o d yf o rd if f e r e n tc u t t in gp a r a m e t e r sa n dd if f e r e n td r ill d ia m e t e r sw e r ec a lc u la t e d a n dt h o s er e s u lt sw e r ea n a ly z e d F in a lly t h ep a r a m e t r icC A Dp r o t o t y p es y s t e mf o rin d e x a b led r illsw 拈d e v e lo p e db a s e do nt h et h e o r ya n a ly s isa n de x p e r im e n t a ld a t a K e yw o r d s in d e x a b led r ill g e o m e t r icm o d e l f o r c em o d e l o p t im iz a t io nd e s ig n C A Ds y s t e m 0 引言 随着科学技术的飞速发展 制造技术进入了以高 速 高效 高精度为标志的新时代 数控刀具作为数 控加工技术的重要装备之一 是保证制造技术有效实 施的重要因素 而数控刀具的快速设计与开发是加快 实施先进制造技术的重要保障 可转位浅孔钻是一种新型 高效的孑L 加工刀具 适于在实体材料上钻咖1 7 5 一筘6 m m 且长径比 4 的 孔 但由于其内 外刀片非对称布置带来的径向合力 过大 极大地影响了其加工精度与加工质量 而国内 外关于可转位浅孔钻的相关报道较少 因此 进 行可转位浅孔钻的深入研究 建立刀具几何模型与力 学模型 以径向力与扭矩最小为目标进行优化仿真 确定其最佳设计参数 并建立有效的参数化C A D 系 统 对于促进国内企业浅孔钻的批量化生产至关 重要 l数学模型 1 1 几何模型 根据国内企业的实际需要 本课题组以刀体上装 有两个等边不等角六边形硬质合金可转位刀片的浅 孔钻为研究对象 采用向量矩阵法建立切削区域几何 模型 6J 建立如图l所示的钻头坐标系0 X Y Z Z 轴 四川省教育厅自然科学青年项目 1 0 Z B l5 0 西华大学重点科研基金项目 2 1 0 2 0 2 1 2 7 2 刘小莹 等 硬质合金可转位浅孔钻优化设计及C A D 原型系统研究 2 0 1 2 年第6 期 与钻头轴线重合 图l中 s 1 表示内刀片 为内刀 片左切削刃幺矢 5 2 表示外刀片 为外刀片右切削 刃幺矢 t r 为内刀片过心量 A h 为内 外刀片刀尖沿 z 轴的高度差 A h 为内刀片刀尖O 在X O Y 平面内沿 y 向偏离钻头轴心0 的值 建立如图2 所示的刀片 坐标系0 X Y Z 图2 中 厶为刀片边长 为刀片 前角 口 为刀片后角 s 为刀片左切削刃幺矢 S 为刀 片右切削刃幺矢 j 八 一 划 二 l 舔 y 外 X 图1 钻头坐标系 弋二芒厂x 乇7 x z 蓼 f r 短 图2 刀片坐标系 内 外刀片安装坐标系如图3 所示 图3 中 卢 痧 驴 步 仍为刀片安装过程中的五个旋转角度 A h 为外刀片刀尖0 与直线矿问的距离江 为内刀片刀 尖D 与钻头中心0 沿 x 向的距离 厶为外刀片刀尖 0 在X O Y 平面上的投影点d 与点k 之间的距离 0 X Y iZ 所在位置为内刀片的最终安装位置 是将刀片坐标系07 X Y Z 平移至钻头坐标系中 点 0 与点0 重合 F y z 三轴分别与盖 y z 轴平行且 同向 为了方便描述 这里令y 轴用y 1 轴表达 得到 Z 图3 内 外刀片安装坐标系 坐标系0 一X Y 1 Z 见图3 然后使坐标系O l X Y 1 1 Z 绕Y I 轴反转砂角 此时x 轴转到置轴位置 形成坐 标系0 X Y 1 1 2 1 1 接着使坐标系0 l X lY llZ I 绕五轴 正转妒 角 使y l 轴转到Y I 轴位置 磊 轴转到而轴 位置 此时即形成内刀片的安装坐标系0 一X Y I Z l 刀 片1 共经两次坐标旋转安装在刀体上 坐标系0 一五y 2 Z 所在位置为外刀片的最终安装 位置 是将刀片坐标系0 X Y Z 平移至钻头坐标系 中 点0 与点0 重合 X r Z 三轴分别与X y Z 轴 平行且同向 同理 令平移后的z 轴用z 2 轴表达 得 到坐标系0 一X 7 Y Z 2 图中未给出 使坐标系0 X Y 乏 绕z 2 轴正转 1 8 0 一J B 角后 使x7 轴转到置 轴位 置 y 轴转到y 2 轴位置 形成坐标系O 也 y 2 Z 2 使 坐标系O 一X 2 y 2 Z 绕y 2 轴正转妒 角 使恐 转到恐 轴位置 易 轴转到z 轴位置 形成坐标系O X 2y 2 Z 2 2 再将坐标系0 一X 2y 2 Z 2 绕五轴正转砂 角 使K 轴转到y 2 轴位置 z 轴转到z 2 轴位置 此时即形成 外刀片的安装坐标系0 一X 2y 2 z 刀片2 共经三次坐 标旋转安装在刀体上 建立内 外刀片安装坐标系与钻头坐标系中矢径 之间的转换关系 7 D D l A 一o a 函 砂1 7 l 1 7 0 0 2 A 而 1 r J B Ar 2 砂 A 局 砂 t 2 式中 7 为0 一X Y Z 中任意一点的矢径 7 1 为0 l X 1 Y 1 Z 中同一点的矢径 7 2 为0 五y 2 2 2 中同一点的矢径 A y 一驴 A J 眇 A z 2 订一卢 A v 2 妒z A 也 毋 为 坐标变换矩阵 用式 1 和式 2 可导出内 外刀片左 右切削刃 在坐标系0 X Y Z 中的切削刃幺矢 法前角幺矢 法后 角幺矢及切削刃上任一点在坐标系0 一X Y Z 中的空间 位置参数 进而可求出内 外刀片左 右切削刃上各点 7 3 2 0 1 2 年第6 期现代制造工程 M o d e r nM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 的几何角度 为建立力学模型奠定基础 过程从略 1 2 力学模型 将切削刃视为有限个微小 单元切削刃 的组合 假设钻削过程中 每个微小单元上的切削参数和几何 参数不变 用单元起点的几何参数和切削速度来计算 单元切削力和单元扭矩 再将计算获得的单元切削力 和单元扭矩沿钻头坐标系各轴进行分解 最后将分解 到钻头坐标系各轴上的所有单元切削力和单元扭矩 进行叠加 求得的结果即浅孔钻所受的切向力 进给 力 背向力和扭矩 单元切削力和单元扭矩则采用经 典斜角切削理论 和经验公式 相结合的方法建立 单元切削力 B 凡 B 为单元切削变形力与 单元刃口切削力之合 A F P 砟 A F p F O R A F o E F R 睇 A F s s 式中 A F 为单元主切削变形力 刀片左 右切削刃均 与合成切削速度共线 且方向相反 为垂直于合成 切削速度和切削刃方向的单元切削变形力 F 为垂 直于 F P 和a F o 的单元切削变形力 A F p E A F 伽 舾为各单元刃口切削力 A F 艋一0 方向与单元切 削变形力相同 各单元切削变形力的求解公式如下 F r A A C O S A 一y c o s A t a n r s in A s in A B B 3 F T A A s in A 一7 B B 4 F r A A C O S A 一y s in A 一 t a n c o s A c o s A B B 5 t a n A t a n Ac o s 7 t a m p r f c o s 7 c o s A c o s y 1 一r I c o s T c o s A s in y t a n 妒 A t a n A c o s y t a n f 一s in y t a n A 口B C O S 2 妒 A 一y t a n 2 s in 2 A 0 5 s im p c o s A a A lc o s A A A a a 式中 r 为剪切面的剪应力 A 为法向摩擦角 A 为刃 倾角 仇为前刀面上的流屑角 当A 4 5 以及切削深 度h L in k 一 C a t e g o r y 一 G e n e r a l O b j e c t L ib r a r ym o d u le s 中输入 p r o t k d U 1 ib m p r 1 ib p r o t o o lk it 1 ib p t a s y n c h r o n o u s 1 ib p r o t L n d 1 ib w s o c k 3 2 1 ib 等库文件 2 自动生成二维工程图时 为了避免视图干涉 可预先对图样进行区域划分 再根据区域大小和位置 进行视图比例调节 因刀体结构的复杂性 需要生成 局部放大视图和剖分视图 可调用P r o T O O L K I T 提供 的视图生成函数P r o D r a w in g G e n e r a lv ie w C r e a t e 完成 7 6 利用尺寸显示函数P r o D im e n s io n S h o w 可实现在绘图 模式下有选择地显示各种相关尺寸 调用P r o D f ln o t e C r e a t e 函数生成注释信息 3 在应用程序中进行优化设计计算时 系统采用 动态链接库D L L 实现应用程序与M A T L A B 之间的数 据传输与函数调用 在M A T L A B 中基于数学模型建 立M 文件后进行编译 并设置V c 的头文件与库文件 搜索路径 在V C 中设计工程选项 并将m c c 生成的文 件拷贝到V C 工程的目录下 把f o r c e 3 lib 1 ib 加入工程 中 然后编写入口程序 3 3 C A D 系统运行实例 进入C A D 系统后 通过用户输入或实例推理获得 霄 入朝精参囊 球H 阿溺蕊圈 包铒黼力 1 9 6 2 运培量 o o e o 1 5 簟王蓉t1 1 1 8 何酮逮鏖阿两r i壹 一 口T 荐 科尊号 3 8 C r M o A L A r 单包茸鞠力 一 刀片糟空再霞t 竹置计 曩 钻头直径1 2 s 1 月片型号陌ii涵诗斫明 刀J 边长4 3 铒一连度I o o 转t1 1 2 7 3 舯 避等量t o o 迁心量lo 6 o 刚一羔划堂刚三剑 图5 设计界面 刘小莹 等 硬质合金可转位浅孑L 钻优化设计及C A D 原型系统研究2 0 1 2 年第6 期 初始参数和设计参数 设计界面如图5 所示 调用 M A T L A B 优化程序 可获得优化后的刀片槽空间位 置 优化结果如图6 所示 经过刀片和刀柄的零件设计 后 可利用优化后的参数进行浅孔钻装配设计 并生 成二维装配图 装配工程图如图7 所示 根据用户权限 审查 系统管理人员可登录数据管理系统进行数据 知识 实例的添加 修改和删除等操作 数据管理系统 界面如图8 所示 躲咏 图8 数据管理系统界面 4 结语 为了促进国内企业在可转位浅孔钻方面的研究 本文利用向量矩阵法和单元切削刃的思想 建立了可 转位浅孔钻的几何模型和力学模型 以径向合力与扭 矩最小为目标建立优化程序 获取内 外刀片的最优 空间安装位置 为浅孔钻在非稳态钻削情况下的应力 应变分析 热分析 磨损分析等工作奠定基础 基于优 化计算所得结果 可作为经验知识输入C A D 原型系统 中 为相似设计提供实例支持 原型系统适用性较好 当优化目标或优化参数发生改变时 只需要对M A T L A B 源程序进行适当修改即可 所做工作为其他数控 刀具的研发提供可借鉴的思路与方法 参考文献 1 陈朴 吴能章 基于F E M 的可转位浅孔钻几何参数的优 化 J 工具技术 2 0 0 9 4 4 3 2 周利平 吴能章 陈朴 浅孔钻钻削过程的数值仿真研究 J 西华大学学报 自然科学版 2 0 1 0 2 2 9 3 汤爱民 邓剑 硬质合金浅孔钻的设计分析 J 工具技 术 2 0 0 4 9 3 8 4 V E N K A T E S HVC X U EW As t u d yo ft h eb u ilt u pe d g ein d r illin gw it hin d e x a b lec o a t e dc a r b id ein s e r t s J J o u r n a l o f M a t e r ia lsP r o c e s s in gT e c h n o lo g y 1 9 9 6 4 5 8 5 V E N K A T E S HVC X U E