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[刀具设计] 可转位圆柱螺旋面成型铣刀的计算机辅助设计 李代刚, 陈云, 袁宏辉, 杨启坤, 耿...

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    发表于 2019-12-5 08:27:47 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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    可转位圆柱螺旋面成型铣刀的计算机辅助设计
    李代刚,陈云,袁宏辉,杨启坤,耿子瑜,李游,刘芸
    成都工具研究所有限公司
    摘要:通过建立数学模型,结合计算机辅助设计解决可转位圆柱螺旋面成型铣刀传统设计方法的计算误差和局限性,以适用现代高速刀具的设计与生产;解决在某些情况下被加工螺旋面的部分区域可能会产生畸变并造成切削过程中产生过切的现象,使被加工件尺寸达到设计要求;利用计算机辅助设计,实现批量化、参数化设计,以提高设计效率。
    关键词:回转刀具;螺旋面成型铣刀;计算机辅助设计
    1 引言

    [size=1em]机械加工中,常采用回转刀具加工圆柱螺旋面,如加工各种蜗杆的螺纹表面、丝杠沟道表面、铣刀和钻头的螺旋排屑槽等。螺旋面的造型原理比较复杂,因此刀具的设计和计算也相对比较麻烦,传统的刀具设计方法有一定的局限性和计算误差。设计旋转刀具轮廓时不能单方面依靠取工件某个截面轮廓作为刀具轮廓。因为并非任何螺旋面都可以加工出来,在某些情况下被加工螺旋面的部分区域可能会产生畸变。将畸变清除或者控制在一定合理范围内成为能否加工出所需要轮廓的基本条件。具体条件是:①刀具回转面与工件螺旋面接触是否正确;②两个面之间不能发生干涉;③过渡曲线一定控制在允许范围内;④安装参数与设计时所取的安装参数必须一致。本文将举例说明使用的方法,该方法可应用于所有的圆柱螺旋面成型铣刀廓形设计中。

    2 成形刀具基本设计思路与方法

    [size=1em]成形刀具设计主要思路:

    [size=1em]①确定成形刀具的类型,主要根据被加工件的工艺特点、加工批量和力学性能等因素确定;

    [size=1em]②确定成形刀具的装夹方式,主要依据机床主要特性、切削系统中产生的切削力大小和切削系统尺寸等;

    [size=1em]③确定成形刀具的前角和后角,主要依据为切削力大、切削过程中是否有干涉现象和刀具是否重磨使用等;

    [size=1em]④确定成形刀具的轮廓形状,轮廓形状关系到切削后的尺寸精度和表面质量。

    [size=1em]传统的轮廓设计有作图法、计算法和双曲线误差法。本文将传统轮廓设计方法与现代计算机技术结合,重点讨论轮廓形状设计,并对适合圆柱螺旋面成型铣刀方法进行探讨。

    3 可转位圆柱螺旋面成型铣刀轮廓设计3.1 轮廓设计的基本理论与方法

    [size=1em]对图1所示的零件截面进行分析,参数为:r1=15mm,r2=30mm,外螺旋角 β=30°,螺旋方向为右旋。

    [size=1em]计算思路与步骤:

    [size=1em]①确定安装参数及螺旋参数

    [size=1em]取δ0=0°时,选用铣刀半径最大R a0=60mm,则中心距 A=R ao+(r2-r1)=60+(30-15)=75(mm),轴交角 ∑ =90°-β=90°-30°=60°。螺旋参数 p=r2 cotβ=30x cot30°=51.961524。

    [size=0.8em]图1 工件尺寸

    [size=1em]取变量为t,则参数方程为


    [size=1em]由于图1的工件截面对称,所以在设计计算刀具轮廓时只需要计算一半,故t的取值范围为:t min



    [size=1em]根据上述公式进行计算。将t=(t min,t max)代入并计算结果,最后输出得到如图2所示的刀具轮廓曲线。

    3.2 利用计算机编程绘制轮廓

    [size=1em]利用计算机程序进行相关数据计算。传统计算方法为找若干个点进行计算,然后通过作图方式把所有点连接起来。目前,在高精度加工要求下,传统的方法已经不能满足设计精度要求,需要利用计算机程序辅助设计并作图,以保证刀具的设计精度。

    [size=1em]被加工件与刀具都是对称的,在进行编程时只需要计算对称轴的一半即可,以下为计算机程序节选,图2为经程序输出的刀具轮廓图。


    [size=0.8em]图2 编程输出的刀具轮廓

    4 计算机辅助建模

    [size=1em]上述编程输出的刀具轮廓只是刀具旋转轮廓的一半,由于被加工件轮廓是对称的,所以刀具的旋转轮廓中参与切削的部分应该如图3所示。

    [size=0.8em]图3 刀具参与切削的轮廓部分

    [size=1em]确定安装参数及螺旋参数。当δ0=0°时,选用铣刀半径最大R a0=60mm,则中心距A=R ao+(r2-r1)=60+(30-15)=75(mm),轴交角 ∑ =90°-β=90°-30°=60°。通过计算机编程绘出刀具参与切削的轮廓部分,并由已知条件得到如图4所示的完整刀具旋转轮廓。

    [size=0.8em]图4 刀具旋转轮廓

    [size=1em]在得到一个旋转轮廓后就可基于此特征进行刀具设计,通过对前刀面、后刀片、装夹位和容屑面的设计,形成如图5所示的整体圆柱螺旋面成型铣刀。

    [size=1em]可转位刀具可以理解为在整体刀具上截取刀具刃口部分,通过几何组合构成一个可转位刀片,余下的结构可配合刀片进行刀片与刀体的装夹设计,并得到一套完整的可转位刀具。

    [size=0.8em]图5 整体圆柱螺旋面成型铣刀

    [size=1em]图6为设计带有断屑槽的可转位刀片。图7为设计带有螺钉孔的可转位刀体,其中螺钉孔用于装夹刀片。

    [size=0.8em]图6 可转位刀片

    [size=0.8em]图7 可转位刀体

    5 结语

    [size=1em]结合计算机编程和三维建模进行辅助设计的要点为:①计算所产生的过切量,提高设计补偿,过切量叠加于设计;②刀具装夹设计要牢固可靠,才能保证设计与使用的一致性;③刀具整改设计过程计算量大,需利用计算机进行辅助设计计算,以保证效率与准确性。

    [size=1em]参考文献

    [size=1em][1]陈志杰.金属切削刀具向量计算法[M].合肥:安徽科学技术出版社,1987.

    [size=1em][2]董仁杨.向量矩阵法在刀具计算中的应用[M].北京:国防工业出版社,1979.

    [size=1em][3]杨竟衡.计算机辅助设计与应用[M].北京:机械工业出版社,1995.

    [size=1em][4]顾雪峰.渐开线花键量规计算机辅助设计[J].工具技术,2017(4):117-118.

    [size=1em][5]陈云.现代金属切削刀具实用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.


    [size=1.8em]Computer-aided Design of Indexable Cylindrical Helical Form ing M illing Cutter
    [size=1em]Li Daigang,Chen Yun,Yuan Honghui,Yang Qikun,Geng Ziyu,Li You,Liu Yun

    [size=1em]Abstract:The calculation error and limitation of traditional design method of indexable cylindrical helical surface forming milling cutter are solved by establishing mathematical model and combining with computer aided design,so as to apply to the design and production of modern high-speed cutter,and to solve the problem that some areas of the machined helical surfacemay be distorted and cause over-cutting in the cutting process in some cases,so as tomake the dimension of the machined part reach the set point.Tomeet the design requirements,batch and parametric design can be realized by using computer aided design to improve the design efficiency.

    [size=1em]Keywords:rotary cutter;spiral profilemilling cutter;CAD


    [size=1em]中图分类号:TG714;TH162

    [size=1em]文献标志码:A

    [size=1em]DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2019.02.024

    [size=1em]基金项目:科技重大专项(2015ZX04003003-006)

    [size=1em]收稿日期:2018年11月

    [size=1em]第一作者:李代刚,工程师,成都工具研究所有限公司,610500成都市

    [size=1em]First Author:Li Daigang,Engineer,Chengdu Tool Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610500,China



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