基于 PRO/E的标准麻花钻角度的仿真测量

李明颖,申涛,王德权

(1.大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 116034;2.大连理工大学机械学院,辽宁大连116024)

0 引言

由于计算机及微处理机的愈来愈广泛的应用,使得计算机对钻头进行数学分析成为可能。三维软件的产生,给机械设计带来了革命性的发展,现已应用在机械设计及分析的方方面面[1]。用三维软件对麻花钻进行设计分析也成为对麻花钻研究的重点之一。麻花钻的几何角度在切削过程中起着至关重要的地位,它直接影响加工的产品质量和精度,麻花钻的切削性能及刀具的使用寿命,因此对麻花钻角度的测量具有十分重要的意义。传统的手工计算角度既费时,也不直观[2]。所以建立一种可以直观且快捷的测量出麻花钻角度的三维仿真模型是很有必要的。本文所使用的PRO/E三维仿真软件具有参数化设计功能,并且可以创建出测量角度的仿真模型[3]。所以本文所创建的仿真测量模型是建立在 PRO/E三维仿真软件上的。

1 基于 PRO/E的标准麻花钻三维仿真

本文所创建的标准麻花钻的三维仿真模型具有 9个参数,分别为：麻花钻直径 D、半钻厚 RC、螺旋角 β、半锋角 β1、刃带高度 L和刃带宽度 L1、圆锥顶点到麻花钻顶点的距离 L2和半圆锥角 α(锥面刃磨后刀面法)、麻花钻后角 α1。通过改变这些参数可以得到不同结构形状的麻花钻[4]。

下面具体介绍一下用 PRO/E创建标准麻花钻三维模型的过程：

(1)绘制麻花钻的轴线和主切削刃

在基准平面 FRONT上绘制一条轴线,其长度为d0。在与 FRONT面偏移为半钻厚RC的基准面 DTM1上绘制主切削刃,其长度为 d1。如图 1所示。

图 1 轴线与主切削刃

为了保证两条线在竖直方向等长,须在 PRO/E的关系中确定这两条线的约束关系式。

约束关系式如下：

(2)绘制主切削刃上 11条螺旋线

在轴线上做 11个等分点 PNT0到 PNT10,再在直线刃上做 11个等分点 PNT11到 PNT21,然后在轴线顶点 PNT0做一个坐标线 CS0(此坐标系 z方向沿轴线向下,x方向指向直线刃顶点 PNT11)。在 PNT0、PNT11两点间建立距离分析特征 ANALYSIS_DISTANCE_1。在直线刃顶点 PNT11上以 CS0为坐标系,距离分析特征ANALYSIS_DISTANCE_1为螺旋线半径,螺旋角为 β创建基准曲线(螺旋线)。如图 2所示。

图 2 主切削刃顶点螺旋线

在 PRO/E中输入螺旋线方程：

同理在主切削刃上剩余的10个点PNT12到PNT21上分别做出另外的 10条螺旋线。如图 3所示。

图 3 主切削刃上 11条螺旋线

(3)麻花钻轮廓的成型

在经过直线刃顶点PNT11的螺旋线的底部端点做一个垂直轴线的基准平面 DTM2,从而得到这个平面与11条螺旋线的 11个交点 PNT22到 PNT32。如图 4所示,然后在基准平面 DTM 2上做出经过 PNT22到 PNT3211个交点的麻花钻截面。如图 5所示。

最后通过截面,以轴线为垂直轨迹和 11条螺旋线为扫描轨迹,扫描出麻花钻的轮廓。如图 6所示。

图 6 麻花钻轮廓

(4)麻花钻后刀面的形成

过主切削刃做一个锥面,此锥面含有圆锥顶点到麻花钻顶点的距离 L2和半圆锥角 α这两个参数。如图7a所示。

把这个锥面旋转一个角度,形成后角,由此形成麻花钻后角 α1。如图 7b所示。

把后刀面的上面切除,同理做出另一个后刀面,也切除其上面,形成最后实体。如图 7c所示。

图 7 麻花钻锥面的形成、旋转,切除实体

2 编写 PRO/E参数输入界面

完成标准麻花钻三维仿真模型后,再在 PRO/E中编写参数输入界面程序,程序在工具栏的工具 →程序中编写。

程序如下：

编完程序后就可以在打开 PRO/E后通过界面输入麻花钻参数,如图 8所示。

图 8 参数输入界面

3 标准麻花钻直线刃角度的测量

(1)直线刃圆周后角的测量

在直线刃上任取一点 A,再在经过 A点且与麻花钻轴线垂直的平面内,绘制一个圆心在麻花钻轴线上且通过点A的圆 1;然后将这个圆投影到麻花钻的后刀面上,得到投影曲线 2。这样圆1与投影曲线 2之间的夹角就是所要求的直线刃圆周后角。如图9所示,最后建立此圆周后角的分析特征 ANALYSIS_ANGLE_1。如图 10所示。

(2)直线刃主前角的测量

在直线刃上任取一点 A,再在经过 A点和麻花钻轴线做一个基准面 1(基面);将直线刃投影到基准面上得到投影线 B;然后作一个经过 A点且垂直投影线 B的基准面 2(主剖面)。作出主剖面与麻花钻前刀面的交线 1和与基面的交线 2,这样这两条交线的夹角即为所求的主前角。如图 11,并建立此前角的分析特征ANALYSIS_ANGLE_2。如图 12所示。

标准麻花钻直线刃主前角理论计算公式[5]

其中：βx—直线刃上选定点的螺旋角;

kx—直线刃上选定点的主偏角;

λx—直线刃上选定点的端面刃倾角;

rx—直线刃上选定点的半径。

为了验证此测量模型的精确性,在直线刃上取了8个点,分别计算出各主前角的理论值,并与相对应的测量值进行比较。(设麻花钻参数为麻花钻直径 D=40、半钻厚 RC=2、螺旋角 β=30、半锋角 β1=59)

其结果如表 1所示。

表 1 理论值和测量值

通过上表可以看出主前角的测量值与理论值相比,误差在一个比较小的范围内,要想提高精度,可以再增加主切削刃上螺旋线的个数。

4 结束语

通过上述,本文所创建的三维仿真模型能够把测量角度的误差控制在很小的范围内,可以应用在实际生产测量中。本仿真软件优点在于既可以直观的看出标准麻花钻的结构形状,也可以在麻花钻的不同结构参数下,快速测量出直线主切削刃上的各角度值,可以有效的替代传统的手工计算,提高了工作效率。

[1]王磊,王贵成,马利杰.标准麻花钻三维实体模型的创建[J].工具技术,2001,41(6)：75-78.

[2]张普礼,刘惠.麻花钻锥面磨削方法数学模型的建立[J].机电工程技术,2004,33(5)：70-73.

[3]王忠魁.麻花钻后角的计算与研究[J].工具技术,1993,27(1)：13-17.

[4]白亚江,杜云芝.麻花钻钻削过程的有限元动态仿真[J].机械科学与技术,20006,25(10)：1144-1146.

[5]王勇,胡晓兵,王荣,等.基于SolidWorks二次开发技术的麻花钻参数化设计系统研究[J].工具技术,2006,43(2)：50-53.