整體式立銑刀參數(shù)化設(shè)計(jì)與周齒刃磨成形過程建模.pdf

1、整體式立銑刀因其良好的切削性能在航空航天、軌道交通、通用機(jī)械、醫(yī)療器械、汽車、模具等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，為獲得良好的加工質(zhì)量和刀具壽命，需根據(jù)被加工對象的材料特性和結(jié)構(gòu)特征對立銑刀結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，伴隨著新型材料和結(jié)構(gòu)特征的不斷涌現(xiàn)，這種需求變得更加突出。然而復(fù)雜繁多的空間結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)致立銑刀三維建模效率低、建模精度差、刃磨制造工藝復(fù)雜困難，嚴(yán)重制約了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效率及刃磨制造水平。借助于空間解析幾何、微分幾何

2、以及包絡(luò)原理等基礎(chǔ)理論，采用理論模型與幾何仿真相結(jié)合的方法，對立銑刀參數(shù)化設(shè)計(jì)、刃磨制造工藝以及軟件實(shí)施所涉及的理論和方法進(jìn)行研究，為立銑刀三維快速設(shè)計(jì)提供有效手段，為立銑刀的精確制造提供仿真參考和工藝支持，顯著提高整體式立銑刀研發(fā)效率和制造水平。
　　為實(shí)現(xiàn)立銑刀三維參數(shù)化建模，首先對立銑刀數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。基于應(yīng)用空間解析幾何以及微分幾何相關(guān)理論，結(jié)合立銑刀各結(jié)構(gòu)特征，建立了螺旋刃線、等齒距或不等齒距端截面以及倒圓、倒棱、減

3、振刃帶等微刃結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并給出了相應(yīng)的顯示表達(dá)式。基于Gash面實(shí)際刃磨工藝，建立了Gash面近似計(jì)算五面體數(shù)學(xué)模型。上述數(shù)學(xué)模型為立銑刀的快速參數(shù)化三維設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，同時為后續(xù)基于刃磨過程的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了支持。
　　作為整體式立銑刀的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對容屑槽的刃磨關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于刃磨過程的容屑槽形狀預(yù)測算法以及基于容屑槽設(shè)計(jì)模型的砂輪形狀和姿態(tài)等刃磨工藝反求算法。首先以容屑槽刃磨常用砂輪幾何形狀數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，

4、建立了空間任意位姿處砂輪回轉(zhuǎn)輪廓數(shù)學(xué)表達(dá)式，并分析獲得了容屑槽表面刃磨機(jī)理:砂輪外輪廓與容屑槽表面在刃磨過程中的某一瞬時必存在一條接觸線，容屑槽表面由砂輪運(yùn)動過程中形成的曲面族或曲線族包絡(luò)形成，且容屑槽表面在接觸線處的法線必通過砂輪軸線。以此為基礎(chǔ)，采用包絡(luò)原理建立了簡單砂輪對應(yīng)的容屑槽形狀預(yù)測模型。針對砂輪輪廓存在奇點(diǎn)或二次曲線的情況，采用基于點(diǎn)云處理的圖形算法建立了復(fù)雜砂輪對應(yīng)的容屑槽形狀通用預(yù)測模型，并進(jìn)一步分析了各刃磨工藝變量對

5、容屑槽形狀的影響規(guī)律。以此為依據(jù)，給出了基于迭代思想的砂輪位姿反求算法以及基于刃磨原理的砂輪形狀反求算法，并通過Matlab對上述各類算法進(jìn)行了驗(yàn)證和封裝。
　　針對容屑槽及周刃后刀面實(shí)際刃磨中存在的工藝問題，基于空間解析幾何以及包絡(luò)原理，提出了容屑槽刃磨形成的刀刃曲線在空間位置的求解和控制算法，分析了容屑槽刃磨過程中的“欠切”現(xiàn)象，建立了容屑槽完整刃磨的工藝條件。建立了平面、偏心以及凹面型周刃后刀面刃磨砂輪位姿求解模型，重點(diǎn)研究

6、了偏心型周刃后刀面刃磨原理，給出了偏心型后刀面刃磨砂輪安裝角計(jì)算模型以及刃線位置求解和控制方法，分析了偏心型周刃后刀面刃磨過程中的“過切”和“干涉”問題，建立了避免過切、干涉等加工缺陷產(chǎn)生的工藝條件。
　　以上述數(shù)學(xué)模型和刃磨工藝為依據(jù)，基于UG二次開發(fā)技術(shù)建立了整體式立銑刀參數(shù)化設(shè)計(jì)與刃磨仿真軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)2～10齒、等齒距、不等齒距以及具有倒棱、倒圓角、減振刃帶等微刃結(jié)構(gòu)的立銑刀三維實(shí)體快速建模;實(shí)現(xiàn)與立銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)庫之

7、間的交互和信息傳遞;實(shí)現(xiàn)基于容屑槽實(shí)際刃磨過程的立銑刀三維精確建模;實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型向二維工程圖紙的自動轉(zhuǎn)換等功能;實(shí)現(xiàn)立銑刀容屑槽及周刃后刀面刃磨仿真，可對刃磨過程進(jìn)行實(shí)時顯示，并對刃磨結(jié)果進(jìn)行檢查?；贛atlab GUI開發(fā)了可獨(dú)立發(fā)布的容屑槽形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)自動計(jì)算軟件模塊，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)砂輪形狀、砂輪位姿對容屑槽形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)測，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測結(jié)構(gòu)的導(dǎo)出和存儲。最后通過三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、容屑槽及周刃后刀面刃磨仿真、基于實(shí)際刃磨過程的立