CN105653819A - 一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法 - Google Patents

一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，包括：确定立铣刀结构参数；建立毛坯体，探测毛坯端面位置；整体开槽，得到砂轮位置参数，建立螺旋槽；外圆精磨，建立周刃后刀面；齿隙磨削，建立扫描切除的轮廓和路径，建立端面齿隙；端面精磨，建立端刃后刀面；完成制造，建立立铣刀参数化模型。本发明避免了复杂的型面计算，减少了结构参数变量，并且降低了刀具三维模型和实体差异性，从而提高了立铣刀的三维参数化建模过程的速度、简化程度和精确度。

Description

一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法
技术领域
本发明属于参数化建模领域，尤其涉及一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法。
背景技术
整体式立铣刀以其优良的切削加工性能和加工表面质量，被广泛用于复杂型面、整体结构件的高速加工。但整体式立铣刀形状结构比较复杂、规格尺寸多样，其中螺旋槽特征的加工和建模尤为困难，却又十分重要，因为它直接决定了立铣刀前角、芯厚以及槽宽等主切削刃上的结构参数，而立铣刀的切削性能又与这些结构参数紧密相关。所以，如何准确有效的对整体立铣刀进行三维参数化建模尤其关键。
国内外学者在对立铣刀三维建模时，先是在立铣刀的端面开始建立立铣刀螺旋槽的截形线参数方程，利用轮廓扫描切除得到螺旋槽特征，然后在该特征的基础上建立其它特征。此方法存在运算量大，螺旋槽特征无法与实际加工出的螺旋槽保持一致等问题，而且忽略了三维建模服务于实际加工的本质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，旨在解决避免了复杂的型面计算，减少结构参数变量，降低刀具三维模型和实体差异性，提高立铣刀的三维参数化建模过程的速度、简化程度和精确度。
本发明是这样实现的，一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法包括：
步骤一、确定立铣刀结构参数；
步骤二、建立毛坯体，探测毛坯端面位置；
步骤三、整体开槽，根据螺旋槽结构参数，得到砂轮位置参数，建立螺旋槽；
步骤四、外圆精磨，提供周刃后刀面结构参数，建立周刃后刀面；
步骤五、齿隙磨削，根据横磨扩齿原理，建立扫描切除的轮廓和路径，建立端面齿隙；
步骤六、端面精磨，提供端刃后刀面结构参数，建立端刃后刀面；
步骤七、完成制造，建立立铣刀参数化模型；
步骤八、三维模型与实体结构对比判断误差是否在合理范围内，如果不在合理范围内，返回建立螺旋槽的步骤重新建模。
进一步，建立毛坯体特征，首先绘制出圆柱体作为立铣刀的毛坯体，决定立铣刀的整体长度L和外圆直径d1。
进一步，建立螺旋槽特征包括：建立螺旋刃线，建立砂轮轮廓，建立砂轮与毛坯的相对位置。
进一步，在端面上绘制出后刀面轮廓，沿着螺旋刃线的路径扫描切除，得到后刀面特征，决定周刃正后角αo的大小。
进一步，根据端面容屑槽的具体参数建立容屑槽轮廓，进行扫描切除得到端面齿隙特征，决定端面前角和端面容屑槽特征。
进一步，建立端刃后刀面特征包括建立端刃的第一和第二后刀面的宽度和角度，以及端面端面内凹角。
进一步，参数化驱动模型的参数变量包括：砂轮结构参数；砂轮与毛坯相对位置参数；立铣刀结构参数。
本发明避免了复杂的型面计算，减少了结构参数变量，并且降低了刀具三维模型和实体差异性，从而提高了立铣刀的三维参数化建模过程的速度、简化程度和精确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法流程图；
图2是本发明实施例提供的砂轮轮廓结构图；
图3是本发明实施例提供的砂轮与毛坯相对位置图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
请参阅图1：
一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，包括：
S101、确定立铣刀结构参数；
S102、建立毛坯体，探测毛坯端面位置；
S103、整体开槽，根据螺旋槽结构参数，得到砂轮位置参数，建立螺旋槽；
S104、外圆精磨，提供周刃后刀面结构参数，建立周刃后刀面；
S105、齿隙磨削，根据横磨扩齿原理，建立扫描切除的轮廓和路径，建立端面齿隙；
S106、端面精磨，提供端刃后刀面结构参数，建立端刃后刀面；
S107、完成制造，建立立铣刀参数化模型；
S108、三维模型与实体结构对比判断误差是否在合理范围内;
如果不在合理范围内，返回建立螺旋槽的步骤重新建模。
FastGrind五轴联动数控磨床是为金属切削刀具修磨行业所设计的一款入门级CNC数控磨床。具有多用途、高灵活性的特点，可以应用于制造业的多个领域。利用ANCAFastGrind加工制造整体式立铣刀，可获得良好的表面粗糙度和高精度的刀具结构，而且十分高效。
ANCAFastGrind五轴联动数控磨床通过5个轴的配合运动可以加工出刀具各种复杂型面。其中，X轴控制工具轴向进给，Y轴控制径向进给，Z轴控制上下移动，A轴控制工具旋转角度，C轴控制砂轮旋转角度。
利用ANCA五轴磨床加工整体式铣刀，主要有刀具的端面探测、整体开槽、外圆精磨、齿隙磨削和前端面精磨等工序。
以上工序可以通过如下的五个步骤来实现：
Step1工具的端面探测
此操作用于测定工具沿X轴方向的位置。当探测头接触工具的末端时，工具端面的准确位置即被确定，并建立好坐标系为后续的自动磨削做准备。
Step2整体开槽
此操作用于生产刀具时对整体刀杆进行开槽磨削。由标准1A1盘形砂轮沿着设定的螺旋线路径进行磨削，砂轮轴线与毛坯体轴线始终为λ，并在沟槽的正交面内形成恒定的正前角γo、槽宽以及刀芯厚度。此时法平面的沟槽形状也被确定，其中法前角为γn。λ和γn的表达式如下：
（1）
（2）
式中β——螺旋角；
θ——砂轮侧隙角（此参数用于防止砂轮的后缘部分磨掉沟槽的切削刃，且对沟槽形状有一定影响，step3和step5中也有类似的侧隙角）。
Step3外圆精磨
此操作应用于平头立铣刀外圆（即周刃上的第一后角αo1和第二后角αo2）的磨削。由碗型砂轮沿着螺旋线路径进行磨削，在周刃正交平面内砂轮轴线的投影与基面的夹角决定了立铣刀后角αo的大小。
Step4端面齿隙磨削
此操作应用于平头立铣刀的齿隙磨削，可以磨出立铣刀端刃的前角和沟槽。由锥型砂轮切入工件，然后横向运行，最后沿着被定义好的底部齿隙角撤出。
Step5端面精磨
此操作应用于平头立铣刀端面上的第一和第二后角磨削。由碗型砂轮沿着工件的径向磨削，在端刃正交平面内砂轮轴线投影与基面的夹角决定了立铣刀端刃的后角。
基于SolidWorks的立铣刀三维建模
（1）整体立铣刀的主要结构特征
立铣刀主要以侧刃加工为主，所以侧刃的结构参数直接影响了刀具的切削性能。
（2）整体立铣刀的三维建模过程
在分析了整体式立铣刀的加工过程和主要结构特征后，在Solidworks平台上，基于以上原理，对整体式立铣刀进行了参数化建模。下面将从铣刀的不同部分描述参数化建模的方法和过程。
Step1毛坯体
以直柄圆柱整体式平头立铣刀为例进行实体建模，首先绘制出圆柱体作为立铣刀的毛坯体。此操作决定了立铣刀的整体长度L和外圆直径d1。
Step2螺旋槽
建立螺旋槽特征比较重要，因为之后所有的特征都是建立在螺旋槽的基础之上，所以这里进行详细阐述。主要分为以下几个步骤：建立螺旋刃线，建立砂轮轮廓，建立砂轮与毛坯的相对位置，建立螺旋槽特征。
1）建立螺旋刃线
在参考面内草图绘圆，建立螺旋线/涡状线，定好导程P、高度、起始角度和方向。此操作决定了立铣刀的沟槽长度（一般与刀刃长度l相等）、导程P（决定螺旋角β的大小）、螺旋方向。
2）建立砂轮轮廓特征
在实际生产中，1A1砂轮是数控磨床用来磨削螺旋槽最长用的砂轮，可以满足绝大多数螺旋槽结构的磨削要求（螺旋槽结构参数主要为前角γo、槽度和刀芯半径）。这里以直径D=137.000mm、厚度A=9.652mm、圆角半径r=0.102mm的1A1砂轮为基准，在SolidWorks中绘制出该砂轮的实际轮廓。
为接下来更清楚的表达砂轮与毛坯的位置关系，先建立砂轮的坐标系（OW，XW，YW，ZW），如图2所示。原点OW是砂轮边缘附近的一个点，距离砂轮侧面和圆周面都为r。轴ZW沿着砂轮轴线指向砂轮另一侧面。轴XW经过砂轮轴线，并与XB轴线方向夹角为i。
3）建立砂轮与毛坯的相对位置
在螺旋槽的磨削过程中，砂轮与毛坯之间的相对螺旋运动形成干涉，干涉部分被去除形成螺旋槽。为了详细描述该过程以及表达砂轮与毛坯的相对位置，建立毛坯坐标系（OB，XB，YB，ZB）。原点OB在毛坯轴线上移动，并且在毛坯轴线方向上始终与OW相距μ（距离μ是为了使砂轮边缘圆角部分与毛坯外圆接触，以此来控制螺旋槽长度，其中）。轴ZB沿着毛坯轴线方向。XB在OB处垂直于ZB并经过螺旋刃线。
在SolidWorks中模拟该磨削过程时，毛坯是静止的，砂轮在起始位置（距离Δz只是为了保证起始时砂轮不与毛坯干涉）沿着螺旋刃线的路径进行螺旋扫描切除运动，毛坯坐标系也随之一起运动。显然，毛坯和砂轮时时刻刻都保持着如图3右图中的位置关系。
因此，针对不同的螺旋槽结构参数，砂轮相对于毛坯的位置参数共有4个：砂轮倾角i；C轴转角λ；砂轮偏移k（即点OW和点OB在YB轴方向上的距离）；以及砂轮高度h（即点OW和点OB在XB轴方向上的距离）。在ANCA数控磨床的仿真磨削软件中输入给定的螺旋槽结构参数，获取这4个位置参数的具体值。
4）建立螺旋槽特征
已知了砂轮轮廓，以及砂轮与毛坯的相对位置关系，输入砂轮4个位置参数螺旋槽的结构就唯一确定了。在SolidWorks中以砂轮为实体，螺旋刃线为路径，进行“实体扫描切除”，就得到了所需的精确的螺旋槽结构特征。
为证明该特征能同时满足螺旋槽结构中的前角γo、槽宽和刀芯半径的要求。这里以毛坯直径d1为8mm、导程P为40mm的立铣刀进行建模试验，试验数据见表1和表2。
表1中序号1、2、3、4和1、5、6、7以及1、8、9、10，分别反应了前角、槽宽、刀芯半径的变化造成相应砂轮位置的变化。序号11的结构虽然也能进行磨削，但为了满足过小的槽宽值和相对较大的前角，使得C轴转角偏小，最终导致了毛坯发生过切现象（即螺旋槽的切削刃与砂轮的后缘部分发生干涉）。因此螺旋槽的结构参数应相互配合，并在合理范围内选取。
利用表1中砂轮的位置，在SolidWorks中对立铣刀螺旋槽进行建模，得到的螺旋槽结构参数以及误差分别在表2中列出。数据显示，前角和槽宽误差都不超过0.1°，刀芯半径r误差在0.01mm以内。误差主要是由于砂轮倾角i需手动测量，以及SolidWorks的方程式中角度分辨率只能达到0.01度。
表1立铣刀结构参数与砂轮位置参数的关系
表2在SolidWorks中立铣刀的结构参数与误差
传统在毛坯端面进行螺旋槽“轮廓扫描切除”的建模方式，会产生许多结构参数变量，并且无法保证螺旋槽的可加工性，以及退刀槽部分的准确性。而本文的建模方式不仅可以检验螺旋槽结构参数的有效性，还提高了螺旋槽结构特征的准确性，并且通过调整砂轮位置实现重建螺旋槽结构的方法也加快了建模速度。
Step3周刃后刀面
周刃后刀面一般有2种特征，一种是圆弧形后刀面，一种是直线形后刀面。在端面上绘制出后刀面轮廓，然后沿着螺旋刃线的路径扫描切除，就得到后刀面的特征了。此操作决定了周刃正后角αo的大小。
Step4端面齿隙
在立铣刀的制造中，该步骤由锥型砂轮横磨扩齿完成，如图3所示。所以，可以根据端面容屑槽的具体参数建立容屑槽轮廓，然后进行扫描切除得到端面齿隙特征。
Step5端刃后刀面
端刃后刀面特征主要是建立端刃的第一和第二后刀面的宽度和角度，以及端面端面内凹角（一般为2°左右）。
3）参数化驱动模型的生成
1）尺寸约束
将所有尺寸参数都施加合理的约束，部分有关联的尺寸通过全局变量和方程式的形式将其联系起来，参数变量主要分为4个部分：
A、砂轮结构参数
B、砂轮与毛坯相对位置参数
C、立铣刀结构参数
D、其他建模相关参数
砂轮的结构参数就是实际加工中1A1砂轮的形状及尺寸。在砂轮结构参数确定的情况下，螺旋槽的结构完全取决于砂轮与毛坯的相对位置。C轴转角λ、砂轮倾角i，砂轮偏移k以及砂轮高度h对螺旋槽结构的影响已详细讨论过。
在立铣刀结构参数中，刀刃直径d为端面结构的主尺寸，端刃上的结构参数随着端面直径变化。刀刃长度l、螺旋刃线导程P及刀刃直径d为周刃结构的主尺寸，它决定了螺旋刃线的结构，而周刃结构都是以螺旋刃线为基础建立的。
这些参数变量在合理范围内取不同的值，可以生成不同的立铣刀结构尺寸，还可以生成不同的立铣刀结构特征。譬如改变立铣刀的刃数、端刃生成长短齿结构等。
2）生成参数化模型
这里将部分需参数化的尺寸数据插入Excel表格中，以《GBT6117.1-2010直柄立铣刀》中的9组标准数据为例。利用已经建好的参数化模型，通过改变参数值，生成9个不同尺寸的标准型短刃立铣刀模型。数据表见表3。
表3立铣刀参数化建模的关键参数表（单位：mm）
序号 刀刃直径d 刀体长度L 刀刃螺旋线导程P 刀刃长度l
1 9 69 45 19
2 10 72 50 22
3 11 79 55 22
4 12 83 60 26
5 14 83 70 26
6 16 92 80 32
7 18 92 90 32
8 20 104 100 38
9 22 104 110 38
本文介绍了立铣刀的加工制造过程，并且根据立铣刀在五轴联动数控磨床上加工制造的原理，利用SolidWorks建立了整体式平头立铣刀的三维参数化模型。整个建模过程无需复杂计算，调整砂轮位置就能得到所需的立铣刀结构特征，且结构参数的角度和长度误差分别在0.1°和0.01mm以内。因此，该建模方式提高了立铣刀的三维参数化建模过程的简化程度、速度和精确度。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法包括：
步骤一、确定立铣刀结构参数；
步骤二、建立毛坯体，探测毛坯端面位置；
步骤三、整体开槽，根据螺旋槽结构参数，得到砂轮位置参数，建立螺旋槽；
步骤四、外圆精磨，提供周刃后刀面结构参数，建立周刃后刀面；
步骤五、齿隙磨削，根据横磨扩齿原理，建立扫描切除的轮廓和路径，建立端面齿隙；
步骤六、端面精磨，提供端刃后刀面结构参数，建立端刃后刀面；
步骤七、完成制造，建立立铣刀参数化模型；
步骤八、三维模型与实体结构对比判断误差是否在合理范围内，如果不在合理范围内，返回建立螺旋槽的步骤重新建模。
2.如权利要求1所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，建立毛坯体特征，首先绘制出圆柱体作为立铣刀的毛坯体，决定立铣刀的整体长度L和外圆直径d1。
3.如权利要求1所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，建立螺旋槽特征包括：建立螺旋刃线，建立砂轮轮廓，建立砂轮与毛坯的相对位置。
4.如权利要求1所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，在端面上绘制出后刀面轮廓，沿着螺旋刃线的路径扫描切除，得到后刀面特征，决定周刃正后角αo的大小。
5.如权利要求1所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，根据端面容屑槽的具体参数建立容屑槽轮廓，进行扫描切除得到端面齿隙特征，决定端面前角和端面容屑槽特征。
6.如权利要求1所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，建立端刃后刀面特征包括建立端刃的第一和第二后刀面的宽度和角度，以及端面端面内凹角。
7.如权利要求1所述的面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，其特征在于，参数化驱动模型的参数变量包括：砂轮结构参数；砂轮与毛坯相对位置参数；立铣刀结构参数。
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