（機械制造及其自動化專業(yè)論文）基于grindsmart+620 xs工具磨床的群鉆數(shù)學模型研究.pdf

碩十學位論文 摘要 群鉆是針對普通麻花鉆所存在的問題 進行合理修磨而創(chuàng)制的新鉆型 其切 削性能非常優(yōu)異 然而 群鉆的刃面復雜 刃磨表面多 一直以來主要靠手工或 開發(fā)出專用機床進行刃磨 手工刃磨勞動強度大 技術要求高 精度難以保證 而專用機床造價高 一般企業(yè)難以承受 因此 嘗試在普通磨床上實現(xiàn)群鉆的機 械化和自動化刃磨對于群鉆技術在生產(chǎn)中的應用和推廣意義十分重大 解決群鉆機械化和自動化刃磨問題的關鍵在于根據(jù)群鉆刃磨機床正確建立群 鉆的數(shù)學模型 并找到群鉆設計參數(shù)與刃磨參數(shù)之間的關系 本文選擇在生產(chǎn)中 應用非常廣泛的g r i n d s m a r t6 2 0 x s 數(shù)控工具磨床作為群鉆刃磨機床 以坐標變換原 理為根本依據(jù) 通過對基本型群鉆結構和設計參數(shù)的分析 結合磨床各軸的運動 特點 建立了基于該磨床的螺旋面外刃后刀面群鉆數(shù)學模型 推導了刃磨參數(shù)與 設計參數(shù)的關系方程組 并以直徑8 m m 的群鉆為例 求出了具體的刃磨參數(shù)值 為了驗證數(shù)學模型的正確性 文中以s o l i d w b r k sc a d 軟件為工具 建立了群鉆的 三維實體模型 并在實體模型上對群鉆結構和設計參數(shù)進行了測量 測量結果表 明幾乎所有參數(shù)測量值與理論值之間的誤差都控制在較小的范圍內 因此 本文 提出的群鉆數(shù)學模型完全正確 最后 利用與磨床配套的v i r t u a l g r i n d 軟件對圓錐 面后刀面群鉆進行了仿真 其結果證明了在該磨床上刃磨群鉆的確可行 本文的研究為群鉆刃磨數(shù)控程序的編制 群鉆刃磨仿真軟件的后續(xù)開發(fā) 以 及最終在此磨床上實現(xiàn)群鉆的機械化和自動化刃磨提供了理論基礎 同時 對于 其他群鉆刃磨方法的研究也有一定的借鑒作用 關鍵詞 群鉆 螺旋角 數(shù)學模型 切削刃 刃磨參數(shù) i i 基于g r i n d s m a n6 2 0 x st 具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 a b s t r a c t t h en e wt y p ec h i n e s em u l t i f a c e td r i l l c m f d d e v e l o p e df r o mt h ec o m m o nt w i s t d r i ub yr a t i o n a l l yr e g r i n d i n gi no r d e rt os o l v ep r o b l e m se x i s t i n gw i t ht h et w i s td r i l lh a s a ne x c e n e n tp e r f o r m a n c ew h e nc u t t i n g h o w e v e r i t sc u t t i n ge d g e f a c ea n dn a n ka r e v e r yc o m p l e x a n dt h e r ea r et 0 0m a n ys u r f a c e st ob eg r o u n d s oa l la l o n gi ti sc h i e f ly g r o u n db yh a n d w o r ko rd e v e l o p i n gs p e c i a lg r i n d e r t h em a n u a lm e t h o dn e e d sm u c h m o r ew o r ka n dh i g h e rr e q u i r ei ns k i l l s 0t h ep r e c i s i o ni sd i f f i c u l tt ob ee n s u r e d a n d t h a tt h es p e c i a lg r i n d e ri st 0 0e x p e n s i v ei sh a r dt 0b er e c e i v e df o rs o m ec o n l p a n i e s s o t r y i n gt og r i n dt h ec m f da u t o m a t i c a l l yw i t hac o m m o ng r i n d e rp l a y sas i g n i f i c a n tr o l e i na p p l y i n ga n dp o p u l a r i z i n gt h ec m f di nm a n u f a c t u r e t h ek e yt ot h ep r o b l e mo fg r i n d i n gt h ec m f da u t o m a t i c a u yi st oe s t a b l i s hi t s m a t h e m a t i c a lm o d e l sc o r r e c t l ya c c o r d i n gt 0t h eg r i n d i n gm a c h i n e a n dt of i n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e s i g na n dg r i n d i n gp a r a m e t e r s c h o o s i n gt h eg r i n d s m a r t6 2 0 x s t o o lg r i n d e rg r e a t l yu s e di nm a n u f a c t u r ea st h ec m f dg r i n d e r t h r o u g ha n a l y z i n g s t r u c t u r ea n dd e s i g np a r a m e t e r s0 ft l l eb a s i ct y p ec m f da n dc o n s i d e r i n gt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i co fe a c h 觚i s0 ft h eg r i n d e r m a t h e m a t i cm o d e l sf o r t h ec m f dw i t h h e l i c o i df l a n k sb a s e do nt h eg r i n d e ra r ee s t a b l i s h e di nt h i s p a p e ra c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fc o o r d i n a t e st r a n s f b r m e q u a t i o ng r o u p ss h o w i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d e s i g na n dg r i n d i n gp a r a m e t e r sa r er a t i o c i n a t e da n dg r i n d i n gp a r a m e t e r so fc m f d w i t ha n8 m md i a m e t e ra r es o l v e d t 1 0c o n f i r mt h ec o r r e c t n e s so fm a t h e m a t i c a lm o d e l s a3 dm o d e li sc r e a t e du s i n gs o l i d w o r k s a n dt h e ns t r u c t u r ea n dd e s i g np a r a m e t e r sa r e m e a s u r e d t h er e s u l tt h a ta l m o s ta l le r r o r so ft h ep a f a m e t e r sa r ev e r ys m a l lc e r t i f i e s t h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l s a tl a s t as i m u l a t i o nf o rt h ec m f dw i t h c o n i c a ln a n k si sc a r r i e d0 u tb yu t i l i z i n gv i r t u a l g r i n d a n dt h er e s u l tc o n f i r m st h e f e a s i b i l i t yt 0g r i n dt h ec m f d w i t ht h i sg r i n d e r t h e s t u d yn o t0 n l yp r 0 v i d e st h ef 6 u n d a t i o nf o rw r i t i n gc m f dg r i n d i n gp r o g r a m d e v e l o p i n gs o f t w a r ef b rs i m u l a t i n gt h eg r i n d i n gp r o c e s sa n df i n a l l yg r i n d i n gt h ed r i l l a u t o m a t i c a n yw i t ht h i sg r i n d e r b u ta l s oc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ei nt h er e s e a r c ho n o t h e rc m f d g r i n d i n gm e t h o d s k e yw o r d s c h i n e s em u l t i f a c e td r i n c m f d h e l i xa n g l e m a t h e m a t i c a lm o d e l c u t t i n ge d g e g r i n d i n gp a r a m e t e r s 基于g t i n d s m a r t6 2 0 x s 工具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 圖1 1 圖1 2 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖3 1 圖3 2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖3 7 圖3 8 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖4 5 圖4 6 圖4 7 圖5 1 圖5 2 圖6 1 圖6 2 圖6 3 圖6 4 圖6 5 圖6 6 圖6 7 圖6 8 圖6 9 圖6 1 0 插圖索引 坐標平移示意圖 7 坐標旋轉示意圖 7 群鉆與普通麻花鉆鉆尖 9 基本型群鉆與普通麻花鉆外形比較 9 群鉆的組成型面及參數(shù) 1 0 群鉆的基準面 1 2 螺旋面鉆尖 1 4 螺旋面鉆尖的幾何特征 1 5 螺旋面鉆尖刃磨原理圖 1 5 主刃母線坐標旋轉示意圖 1 6 砂輪軸線向量圖 1 9 外刃結構圓周后角 2 0 鉆尖使用半頂角 2 2 鉆尖橫刃斜角 橫刃前角和外刃圓周后角 2 5 群鉆的結構坐標系 3 0 g r i n d s m a r t6 2 0 x s 工具磨床的結構坐標系 3 1 圓弧刃和內刃后刀面刃磨簡圖 3 2 內刃前刀面及輔助圓柱面刃磨簡圖 3 5 分屑槽刃磨簡圖 3 7 內刃法前角 4 5 e 點側后角 4 7 圓弧刃和內刃后刀面刃磨參數(shù)的求解 5 3 橫刃修磨刃磨參數(shù)求解結果 5 4 鉆頭和機床坐標系的建立 5 7 群鉆的c a d 實體模型及特征樹 5 8 內刃前角的測量 5 8 評定參數(shù)的測量結果 5 9 分屑槽刃磨參數(shù)求解結果 6 2 d 2 0 m m 群鉆的a 心實體模型及特征樹 6 3 刃磨鉆溝的砂輪參數(shù) 6 5 刃磨圓弧刃時相關參數(shù)的設置 6 5 修磨橫刃時相關參數(shù)的設置 6 5 d 8 m m 群鉆 r t u a l g r i n d 仿真結果 6 5 v 碩士學位論文 表2 1 表4 1 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 附表索引 基本型群鉆鉆削部分的幾何參數(shù) 1 1 g r i n d s m a n6 2 0 x s 工具磨床加工軸和機械手軸技術參數(shù) 3 1 評定參數(shù)的誤差 5 9 不同圓弧刃后角的群鉆刃磨參數(shù)值 6 0 不同圓弧刃后角的實體模型評定參數(shù)的誤差 6 1 d 2 0 m m 群鉆刃磨參數(shù) 6 2 分屑槽設計參數(shù)和f 點坐標的測量結果及誤差 6 3 d 2 0 m m 群鉆結構和設計參數(shù)的測量結果與理論值對比 6 4 湖南大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取 得的研究成果 除了文中特別加以標注引用的內容外 本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品 對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體 均已在文中以明確方式標明 本人完全意識到本聲明的法律后果 由本人承擔 作者簽名 茲磊 日期 嘶r 月 鄉(xiāng)日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留 使用學位論文的規(guī)定 同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版 允許論文被查 閱和借閱 本人授權湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關 數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位 論文 本學位論文屬于 作者簽名 導師簽名 1 保密口 在 年解密后適用本授權書 2 不保密團 請在以上相應方框內打 獺 悶叫l(wèi) 日期 另旃r 月 3 日 日期 糾暗年f 月心日 碩士學位論文 1 1 課題提出的背景 第1 章緒論 鉆孔加工是機械加工中的 種重要工藝方法 幾乎應用于任何零件的加工工一 序 目前用于鉆孔加工的刀具主要是麻花鉆 占孔加工刀具使用量的8 0 以上 因此 提高麻花鉆的切削性能己引起國內外學者的關注 目前 隨著宇航制造業(yè) 原子能工業(yè) 電力工業(yè)的發(fā)展 難加工材料如復合材料 鈦合金 耐熱合金等被t 廣泛應用 使用傳統(tǒng)的麻花鉆對這些材料進行鉆孔加工時 鉆頭耐用度極低甚至 根本無法進行加工 改進麻花鉆的材料 改善麻花鉆的結構及對磨鈍后的鉆頭進 行合理修磨成為日益重要的研究課題 群鉆 又稱為倪志福鉆頭 是針對普通麻花鉆所存在的問題 進行合理修磨 而創(chuàng)制的新鉆型 自1 9 5 3 年誕生以來 就在生產(chǎn)中顯示出強大的生命力 1 1 然而 群鉆的刃面復雜 刃磨表面多 長期以來主要靠手工進行刃磨 勞動強度大 技 術要求也很高 操作者難以掌握 因此 刃磨質量得不到保證 而且技術難以推廣 長期以來圍繞群鉆的刃磨問題進行了許多研究工作 如何用機械方法刃磨出 群鉆 成為眾多學者研究的方向 并取得了一定的研究成果 2 5 1 解決群鉆機械化 和自動化刃磨問題的關鍵在于通過正確建立群鉆的數(shù)學模型 求解群鉆設計參數(shù) 與刃磨參數(shù)的關系 計算機及其軟件的迅速發(fā)展為解決復雜數(shù)學問題提供了有力 的保障 大大簡化了刃磨參數(shù)的求解 而數(shù)控機床尤其是數(shù)控工具磨床的發(fā)展為 群鉆的自動化刃磨提供了實現(xiàn)多維空間復雜運動的手段 因此 目前具備了實現(xiàn) 群鉆的機械化和自動化刃磨的條件 群鉆的普及和推廣將得以實現(xiàn) 1 2 鉆削技術簡介 1 2 1 鉆削加工的重要性及其特點 孔加工是最常用的材料切除方法之一 從目前情況看 工程中占主導地位的 仍然是機械鉆孔1 6 l 根據(jù)c i r p 調查 在機械行業(yè)中鉆孔加工時間約占切削加工總 時間的2 2 左右1 7 1 在某些行業(yè)機械加工中鉆孔工序可占總工序量的3 0 一4 0 1 而在加工中心上 鉆削加工工序約占總加工時間的3 0 一3 5 8 機械鉆孔是一種 得到孔形圓整 表面光潔 毛刺較小 且適應性最廣的方法 也是孔加工中經(jīng)濟 效率最高的方法 所以 鉆削加工一直是切削加工領域倍受人們關注的研究課題 與其它加工方法相比 鉆削加工有其自身的特點 9 1 半封閉式切削 鉆削 時鉆頭不僅要鉆進工件 切下切屑 還要把這些切屑從鉆頭的刃溝里排出來 它 基于g r i n d s m 板6 2 0 x s 工具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 三面受阻 網(wǎng)開半面 因此 存在 排屑 與 受阻 的矛盾 2 工作狀態(tài) 變化劇烈 刀刃各點的切削速度由高到零 刃口由銳刃快切到像楔子一樣硬擠 因此 存在 快切 與 硬擠 的矛盾 3 鉆孔加工刀具 鉆頭 比較特殊 它是 一根細長桿 且上面還開了螺旋槽 其有效截面很小 4 加工過程中受力狀況不 好 鉆頭除夾持部分外 懸伸比較長 因此 鉆頭剛性差 縱向穩(wěn)定性不好 以 上就是鉆削與車削 銑削及磨削等其它切削方法的主要差異 1 2 2 鉆削加工中存在的問題 鉆削加工中使用的鉆頭有扁鉆 淺孔鉆 深孔鉆 套料鉆 麻花鉆等 其中 應用最普遍的是麻花鉆 麻花鉆是一種復雜的雙刃加工刀具 工作時主要由主刃 和橫刃進行切削 由于鉆頭結構比較復雜 因此鉆削時存在一些問題 1 主刃上 各點前角數(shù)值變化很大 接近鉆芯處已成為負前角 切削條件差 2 橫刃太長 有很大的橫刃偏角 又有很大的負前角 切削條件更差 因此軸向抗力差 定心 不好 3 主刃長 切屑寬 各點切屑流出的速度相差很大 切屑卷曲成寬的螺卷 所占空間體積大 導致排屑不順利 切削液難以流入 4 切削厚度沿切削刃分布 不均勻 在外緣處切削厚度大 并且此處切削速度最高 副后角為零 刃帶與孔 壁摩擦很大 因此 外緣處切削負荷大 磨損快 5 橫刃前 后角與主刃后角密 切相關 不能分別控制 6 高速鋼的耐熱性和耐磨性仍不夠高 1 1 針對這些問題 關于如何提高麻花鉆的切削性能 人們一直在探索改進的方 法 這些方法主要包括以下三個方面 設計鉆頭時 改變其材料和結構參數(shù) 制 造鉆頭時 廣泛采用新技術和新工藝 使用鉆頭時 通過修磨改變鉆型 選擇合 理的幾何參數(shù) 1 2 3 鉆削技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 盡管鉆頭在工程中有著廣泛的應用 但鉆削加工過程卻非常復雜 因此 世 界各國的學者一直致力于鉆頭的改進和對鉆削過程的研究 這些研究主要集中在 以下六個領域1 1 0 1 鉆頭材料的研究 2 鉆頭數(shù)學模型和幾何設計的研究 3 鉆頭制造方法的研究 4 鉆削過程與鉆削質量的研究 5 鉆削機理與各種高性 能鉆頭的研究 6 鉆削過程模型驗證和鉆頭性能評估過程的自動化 切削條件及 鉆頭形狀選用數(shù)據(jù)庫和知識庫的建立等的研究 鉆頭材料的研究方面 在普通高速鋼的基礎上添加各種合金元素 開發(fā)超硬 高熱穩(wěn)定性的高速鋼 發(fā)展粉末冶金高速鋼 在傳統(tǒng)碳化鎢基硬質合金的基礎上 添加各種碳化物與氮化物 并開發(fā)碳化鈦基的硬質合金以及含稀土元素的硬質合 金 其次 不斷地開發(fā)出各種涂層鉆頭以提高鉆頭的切削性能和使用壽命 如 聚晶金剛石 p c d 涂層的高散熱性和良好的潤滑性 適應高速切削的需要 一種稱 為m o v i c 的二硫化鉬 m o s 2 涂層可用于鋁合金 鑄鐵 結構鋼和高合金鋼的高速 碩 學位論文 干鉆削或近干鉆削 另外 國外已研制出毫微晶狀硬質合金用作生產(chǎn)鉆頭的材料 毫微晶狀硬質合金的微粒尺寸比微子更小 其剛性如同高速鋼 而硬度與硬質合 金相當 因此二用它生產(chǎn)的鉆頭切削速度可以大大提高 并且鉆頭壽命是原來刀 具的8 1 0 倍 l l l 鉆頭數(shù)學模型和幾何設計的研究方面 在傳統(tǒng)直線主刃的基礎上 建立了曲 線主刃鉆頭的數(shù)學模型 1 9 9 0 年 m a f u g e l s o 發(fā)現(xiàn) 如果在刃磨之前 將鉆頭繞 自身軸線旋轉5 0 1 0 0 就可以解決直線主刃麻花鉆在靠近鉆芯處主刃后角過小的 問題 只是主刃將變得微微彎曲 1 2 l 同年 y w a n g 將主刃看作曲線 利用多項式 插補方法建立了鉆頭螺旋前刀面的幾何模型 1 9 9 1 年 c l i n 和z q c a o 提出了一 種適合于直線和曲線刃 采用錐面 柱面和平面后刀面的麻花鉆綜合數(shù)學模型 1 9 9 9 年 k c r e n 和j n i 提出用二項式表示任意形狀的主刃曲線 鉆頭前刀面采用 新的數(shù)學模型 并用向量分析方法 建立了二次曲面后刀面的刃磨參數(shù)與幾何參 數(shù)之間的關系 另外 人們在鉆頭結構和刃磨方法的改進等方面也做了大量有意 義的工作 先后提出了2 0 0 多種互不相同的鉆頭形狀 以改善其切削性能 加l 鉆頭制造方法的研究方面 發(fā)展了多種鉆槽加工方法 如銑制法 四輥軋制 法 四板搓制法 擠壓法和成型磨法 磨制法能夠大大提高鉆頭表面質量和減少 形狀誤差 因此 為越來越多的生產(chǎn)者所青睞 1 4 l 鉆削過程與鉆削質量的研究方面 鉆削溫度和鉆削力是人們重點關注的研究 課題 q s h e n 等人用有限元的方法計算了平鉆鉆削過程中的瞬時溫度 并分析了 鉆尖角 鉆削速度和進給速度與鉆頭瞬時溫度的關系 l c h e nw 色n c h o u 用三維 有限元的方法計算了不同斷面形狀的鉆頭由切削刃和后刀面產(chǎn)生的切削溫度 為 研制更高壽命的鉆頭指明了方向1 1 6 1 k e n tn b a c h u s 和m a t t h e wt r o n d i n a 等人研 究了不同的鉆削力對鉆削區(qū)域表層組織溫度的影響 1 刀 湖南大學溫松明 胡思節(jié) 蔡逸玲等人用 類二維 法和最小能量理論 建立了群鉆流屑角模型和鉆削力預 測模型 推導了群鉆鉆削能的理論計算公式 1 8 2 各種高性能鉆頭的研究方面 出現(xiàn)了群鉆 槍鉆 干切削鉆頭 微孔鉆頭 深孔鉆頭 長鉆頭 可轉位鉆頭和多螺旋槽鉆頭等 l o 另外 還出現(xiàn)了各種新型 鉆頭 如日本黛杰工業(yè)株式會社技術研究所開發(fā)的新型s c u t 鉆頭 鉆頭 f 1 整體鉆頭和b 咄鉆頭1 2 2 1 德國冊xp l u s 公司技術研發(fā)部開發(fā)的p h ap o i n l 一新型模塊式鉆頭 a l p h a4t f l 型深孔鉆頭和a l p h a4p l u sm i c r o 型小尺寸鉆 頭i 矧 拋物線鉆頭 2 4 2 5 l 以及五尖九刃麻花鉆 2 6 等等 隨著鉆削技術的發(fā)展進步 鉆頭和鉆削的研究必然呈現(xiàn)如下趨勢 1 鉆削過 程建模成為研究熱點 2 鉆頭的幾何設計和制造方法仍將是研究的重點 3 鉆 削機理的研究將逐漸受到重視 姍 基于g r i n d s m a r t6 2 0 x st 具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 1 3 群鉆技術的歷史和發(fā)展 1 3 1 群鉆數(shù)學模型的研究 1 9 8 2 年 j s h e n 等人建立了第一個群鉆數(shù)學模型 利用該模型 人們可以多 次重復地磨制群鉆 1 9 8 4 年 c l i n 和s m w u 對9 種典型群鉆進行了研究 改進 了群鉆的數(shù)學模型 為群鉆的計算機輔助設計提供了可能1 2 7 j 1 9 8 5 年 c h s i a o 和s m w u 提出了用計算機對群鉆進行輔助優(yōu)化設計的具體方法 1 9 8 7 年 k h f u h 提出了一種利用綜合二次曲面模型和有限元方法設計和分析群鉆的方法 堋 e j u a n g 則提出了一個基于知識庫技術的群鉆刃磨叫c a m 集成系統(tǒng)1 2 糾 1 9 9 1 年 t i l i u 采用一種兩階段策略設計和優(yōu)化了一種加工機軸注油孔用群鉆 1 9 9 4 年 h t h u a n g 等人推導了群鉆切削刃的工作法后角和法前角的公式 提出了考 慮內刃和圓弧刃之間過渡區(qū)的群鉆精確幾何模型 刪 2 0 0 1 年 g c w a n g 等人應用 一種傾斜立體塊方法 建立了群鉆新的數(shù)學模型 解決了已有模型存在的橫刃幾 何形狀不確定的問題 保證了所設計群鉆的可加工性 3 1 1 3 2 群鉆刃磨技術的發(fā)展 群鉆是把普通鉆頭的一條主刃分為外刃 圓弧刃 內刃三段 因此群鉆的刃 形較復雜 刃磨困難 1 1 最初 群鉆采用手工刃磨 這種方法很靈活 可根據(jù)鉆 孔的需要 選取鉆頭各部分的單元刃磨方式合理組合 而誕生新的鉆型 然而 手工刃磨的整個過程由操作工人控制 刃磨質量依賴于工人的技術水平 因此 刃磨精度難以保證 隨著數(shù)控加工技術的發(fā)展 某些行業(yè)對孔加工精度的要求越 來越高 在這種情況下 能夠獲得準確刃形和對稱刃磨表面的群鉆機械化刃磨方 法成了一種必然趨勢 為此 在5 0 年代國外學者g a l l o w a yd f 就提出了普通麻花鉆鉆頭的數(shù)學模型 給出了后角的定義及測量方法 各個切削刃的數(shù)學模型 7 0 年代d e v r i e sm f 和 w us m 采用平面法將鉆頭三維空間曲面后刀面化為二維平面曲線進行研究 重新 給出各個切削刃數(shù)學模型 為實現(xiàn)群鉆機械化刃磨提供了理論基礎 基于此 國 外學者如w us m m a f u g e l s o 以及r y o s v k eh o s o i 等 自7 0 年代先后研制出用于 普通麻花鉆或群鉆刃磨的數(shù)控刃磨機 為了能磨出錐面后刀面 這些刃磨機床在 機械結構上都有一個固定的錐軸與鉆頭的軸線成一定的角度 用于刃磨鉆頭后刀 面 其它的軸則按刃磨參數(shù)以錐軸與鉆頭軸線夾角 e 錐面半頂角 s 錐面軸線 與鉆頭軸線的距離 川鉆頭軸線到錐頂?shù)拇怪本嚯x 的調整而設置 有時還需要 人工參與調整 成為半自動刃磨機床 1 9 8 2 年美國威斯康星大學的吳賢銘等人研 制出七軸數(shù)控鉆頭刃磨機 3 2 1 在該機床上刃磨出了與群鉆十分相似的多刃尖鉆頭 在國內 1 9 7 8 年 北京永定機械廠群鉆小組研制了液壓機械式中型群鉆刃磨 碩士學位論文 機床 西1 0 m m 一西4 0 m m 取得了初步的經(jīng)驗 以后 在國家自然科學基金和企業(yè) 的支持下 湖南大學 北京航空航天大學在多年試驗研究的基礎上 分別開發(fā)了 數(shù)控群鉆刃磨技術 并研制了機床 取得了階段性的成果j 四j i 資陽益華研究所 在開發(fā)群鉆刃磨機床中 總結了多年來推廣群鉆技術的實際經(jīng)驗 設計出三維全 方位可調整的機械結構 成功地刃磨出了2 0 多種群鉆鉆型 1 9 9 0 年湖南大學和長 沙第五機床廠共同推出m k 6 3 4 0 3 型數(shù)控群鉆磨床 并在該機床上刃磨出 改進型 群鉆 但上述機床的造價高 專用性強 一般企業(yè)難以承受 群鉆的推廣應用受 到限制 更重要的是所刃磨的鉆頭與真正的群鉆尚有一定距離 即群鉆的刃磨問 題還未從根本上得到解決 因此 有必要對群鉆的刃磨技術作進一步研究 1 3 3 群鉆刃磨新技術 目前人們刃磨群鉆鉆尖 普遍采用傳統(tǒng)的六坐標或七坐標專用數(shù)控鉆頭磨床 由三個互相垂直的坐標確定鉆尖中心點的空間位置 通過鉆頭的旋轉調整鉆頭的 空間姿態(tài) 從而實現(xiàn)鉆頭的刃磨 近年來 隨著機床技術的發(fā)展 出現(xiàn)了一種新型的數(shù)控加工設備 虛擬軸 機床 虛擬軸機床是機器人技術與機床技術相結合的產(chǎn)物 在原理上是按照s t e w a f t 平臺機器人的運動原理和結構形式進行設計和工作的 因此又被稱為s t e w a n 機床 機床的形狀酷似六足蟲 在結構上除了各種形式的s t e w a n 平臺外 還包括由桿件 組成的多面體框架結構 其主體在運動學上屬于并聯(lián)運動機構 也有人把此類機 床稱為并聯(lián)機床 p a r a l l e ls t r u c t u r e dm a c h i n et 0 0 l s 這類機床通常由并聯(lián)桿系構成 其典型結構是通過可以伸縮的6 條 腿一連接定平臺和動平臺 每條 腿 各自單 獨驅動 控制6 條 腿靜的長度就可以控制裝有主軸頭的動平臺在空間中的位置及 姿態(tài) 以滿足刀具運動軌跡的要求 實現(xiàn)具有6 個自由度運動的復雜曲面的加工 3 3 1 正是在虛擬軸機床技術不斷成熟的基礎上 北京工業(yè)大學劉德忠 李士良等人結 合俄羅斯l a p i k 公司生產(chǎn)的l i m 7 5 0 虛擬軸加工中心 建立了基本型群鉆數(shù)學模 型 通過程序控制在該并聯(lián)機器人上實現(xiàn)了群鉆的自動模擬刃磨畔l 然而 并聯(lián) 機床還存在以下闖題 1 旋轉角度小 2 移動行程短 3 工作空間小 4 驅 動控制復雜 5 難以進行精確的誤差補償 3 5 l 這些缺陷限制了它作為群鉆刃磨機 床的作用 增加了群鉆刃磨的難度 另外 江南大學的傅蔡安針對群鉆結構復雜 采用機械自動化刃磨困難的問 題 提出了用電火花成形技術對群鉆進行加工的新方法 同時他還介紹了工具電 極的設計和制造過程 并對加工成形后的群鉆的切削性能進行了初步探討 3 6 他 的研究為解決群鉆的刃磨問題開辟了一條新的思路 但是這種加工方法的效率低 而且群鉆鉆尖的形位精度和表面質量難以保證 綜上所述 幾十年來 人們在群鉆數(shù)學模型的建立 刃磨參數(shù)的求解以及群 基于g r j n d s m a r t6 2 0 x s 工具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 鉆機械化和自動化刃磨技術 包括群鉆刃磨機床的研制等方面進行了深入而卓有 成效的研究 推動了群鉆技術的發(fā)展 為今后進行群鉆鉆尖參數(shù)的優(yōu)化設計 群 鉆的c a d c a m 以及高性能群鉆刃磨機床的研制等方面提供了理論基礎 然而 這些研究都有一定的局限性 難以應用于生產(chǎn)實踐 因此 本文將對如何在普通 磨床上實現(xiàn)群鉆的機械化和自動化刃磨進行研究 1 4 本文的研究目的和內容 1 4 1 本文研究的目的 群鉆是一種切削加工性能十分優(yōu)異的鉆型 這已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中得到充分的 證明 因此眾多學者對它進行了研究 為了能使群鉆技術在生產(chǎn)中得以推廣普及 從而大力提高鉆孔加工的效率和精度 必須改變一直以來群鉆主要依靠手工刃磨 的狀況 實現(xiàn)群鉆刃磨的機械化和自動化 幾十年來 隨著對群鉆技術研究的不 斷深入以及數(shù)控機床技術的快速發(fā)展 人們設計制造出了多種群鉆刃磨機床 然 而這些機床專用性強 不適宜于群鉆的推廣應用 瑞士某公司生產(chǎn)的g r i n d s m a r t6 2 0 x s 數(shù)控工具磨床加工精度高 能夠刃磨 1 6 衄以下的各種銑刀 鉆頭和齒輪滾刀 在生產(chǎn)加工中應用非常廣泛 在該磨床 上實現(xiàn)群鉆的機械化和自動化刃磨 不僅可以提高鉆孔加工的效率和精度 降低 生產(chǎn)成本 而且對于群鉆在生產(chǎn)中的推廣普及能起到很好的促進作用 因此 將 如何在g r i n d s m a n6 2 0 x s 數(shù)控工具磨床上實現(xiàn)群鉆的機械化和自動化刃磨作為研 究課題意義十分重大 本文的研究目的是通過對基本型群鉆結構及相關參數(shù)的分析 結合 g r i n d s m a r t6 2 0 x s 數(shù)控工具磨床各軸的運動特點 建立基于此磨床的群鉆數(shù)學模 型并求解刃磨參數(shù) 為群鉆刃磨仿真軟件的后續(xù)開發(fā)以及在此磨床上實現(xiàn)群鉆的 機械化和自動化刃磨提供了理論基礎 1 4 2 本文研究的內容 基于上述研究目的 本文主要開展以下研究工作 1 在充分了解群鉆研究的歷史和現(xiàn)狀的基礎上 對比分析各種群鉆加工方 法的優(yōu)缺點 找出本課題研究的切入點 2 根據(jù)機床各軸的運動特點 并力求使研究的問題簡化 選擇合適的群鉆 外刃后刀面類型 3 研讀前人探討群鉆數(shù)學模型方面的論文和專著 借鑒他人的方法 結合 g r i n d s m a r t6 2 0 x s 數(shù)控工具磨床正確建立群鉆的數(shù)學模型 4 結合群鉆的設計參數(shù) 運用m a t u 舊軟件求解采用上述機床進行刃磨 時的群鉆各部分的刃磨參數(shù) 5 根據(jù)刃磨參數(shù) 在s o l i d w b r k s 中建立群鉆的三維實體模型 并在實體模 型上對必要的結構和設計參數(shù)進行測量 通過對比分析測量值與理論值之間的誤 差判定數(shù)學模型的正確性 6 利用現(xiàn)有與機床配套的v i r t u a l g r i n d 軟件對群鉆刃磨過程進行計算機仿 真 驗證在g r i n d s m a r t6 2 0 x s 工具磨床上刃磨群鉆的可行性 1 5 本文所采用的研究方法 本文在建立群鉆數(shù)學模型時主要基于空間坐標變換原理 坐標變換包括坐標 平移和坐標旋轉 圖1 1 坐標平移示意圖 弋勁f j d o j l 一 圖1 2 坐標旋轉示意圖 x 圖1 1 中 經(jīng)過平移后的新坐標系o x y 的坐標原點o 在初始坐標系0 i x y 中的 坐標為 則任意一點p 在新舊坐標系中的坐標的相互關系即坐標平移公式 為 j 扣x 而 1 1 y k 圖1 2 中 新坐標系o x y 相對于原坐標系伊x y 逆時針旋轉角度a 則任意一 點p 在新舊坐標系中的坐標相互關系即坐標旋轉公式為 j x c o s 口x 乙y s l n 口 1 2 y s i n 口x 年 c o s 口 對于三維空間坐標系 假設新坐標系o x y 是由舊坐標系0 x z 經(jīng)過以下四步 變換得到的 坐標原點 平移至0 l 而 y o 得到坐標系0 1 一x y z o l x l y l z l 繞而逆時針旋轉口角得到坐標系0 2 一x 2 y 2 2 2 0 2 一x 2 y 2 2 2 繞y 2 逆時針旋轉盧角得到坐標系0 3 x 3 y 3 2 3 最后0 3 x 3 y z 3 繞z 逆時針旋轉 角得到新坐標系o x y 7 同樣 我們可以得到 以下四個關系式 注意 本文中提到的所有坐標系均為右手系 且逆時針旋轉 的方向是指由旋轉軸正向往負向看時坐標系的旋轉方向 基于g r i n d s m a r t6 2 0 x st 具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 剛貅 1 1 1 遺姚 剛孟 劉 1 c 0 s y ili 盯p訓翊 c o s u i y i o1l iz i 1 3 1 4 1 5 亳蘭蘭妻 孟三習降亨舊 引n 7 1 6 小結 本章主要介紹了鉆削加工的重要性和特點 鉆削加工中存在的問題及其研究 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 重點闡述了群鉆技術的研究和發(fā)展過程 并說明了課題的研究 目的 研究內容和研究原理 碩士學位論文 第2 章基本型群鉆的特征和切削性能 群鉆自1 9 5 3 年誕生以來 通過生產(chǎn)實踐 鉆型不斷演進 擴展 創(chuàng)新 形成 了一套新的鉆型型譜 在系列鉆型型譜中 以加工各種鋼材的基本型群鉆應用最 廣泛 它又是形成其他群鉆鉆型的基礎 因此 本章將對基本型群鉆的形狀特點 及其切削性能進行重點分析 2 1 基本型群鉆鉆尖的形狀特征 圖2 2 中a b c 為基本型群鉆鉆尖外形 d 為普通麻花鉆鉆尖外形 比較兩者之間的差別 并且從圖2 1 中可以看出群鉆是在普通麻花鉆的鉆 尖上 磨出兩個對稱的圓弧刃 形成鉆心尖退縮 兩側尖并立的三尖刃形 再進一步修磨 減窄橫刃 形成兩條較鋒利的內刃 對于直徑較大的鉆頭 還 在一側外刃上磨出1 2 條分屑槽 圖2 1 群鉆與普通麻花鉆鉆尖 i a 小型 d 1 5 b 中型 d 4 0 d 普遁麻花鉆 圖2 2 基本型群鉆與普通麻花鉆外形比較 如圖2 3 基本群鉆鉆尖由內刃后面i 1 圓弧刃后刀面2 2 外刃后刀 面3 3 內刃前刀面4 4 鉆溝前刀面5 57 輔助圓柱面6 6 以及分 屑槽組成面7 8 9 只有鉆頭直徑d 1 5 時才開分屑槽 共6 個基本形面組成 這些基本形面形成了群鉆的 三尖七刃 下文將對照圖2 3 詳細地說明群鉆的形 狀特征 基于g r i n d s m a r t6 2 0 x st 具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 1 主切削刃分成三段 并形成三個尖 1 外刃 d c 段和d c 段切削刃 由外刃后刀面3 3 與鉆溝前刀面5 5 的交線形成 外刃長度z 約為鉆頭直徑d 的1 5 或1 3 即z 一0 豺 不磨分屑槽 ds1 5 毫米 z 一0 3 d 磨分屑槽 d 1 5 毫米 戮 n 一 4 期 鏹一 o l 勖 圖2 3 群鉆的組成型面及參數(shù) 2 圓弧刃 c b 段和c b 段切削刃 由圓弧刃后刀面2 2 與鉆溝前刀面 5 5 的交線形成 近似可看作圓弧 圓弧半徑r 約為鉆頭直徑d 的1 1 0 即 r 一0 h 毫米 圓弧刃半徑實為成型砂輪圓角半徑值 3 內刃 b a 段和b a 段切削刃 由內刃后刀面1 1 與內刃前刀面4 4 的交線形成 4 三尖 即鉆心尖0 外刃與圓弧刃的交點c 和c 點 碩 l 學位論文 2 橫刃變窄 變尖又磨低 1 橫刃變窄 橫刃為a o a 段切削刃j 由兩內刃后刀面l 與1 的交線形成 由于磨出了內刃前刀面4 4 橫刃長度玩變窄 約為普通麻花鉆橫刃長的 1 4 1 6 或玩一o 0 4 d 毫米 2 橫刃變尖 由于磨了圓弧刃后刀面2 2 7 橫刃部分楔角稍變尖 3 橫刃磨低 由于磨了內刃后刀面1 1 新的橫刃位置有所降低 即 尖高 很小 一0 0 4 d 毫米 3 磨分屑槽 在一邊外刃上磨出分屑槽8 其寬度i 約為外刃寬z 的一半 一z 3 一z 2 2 2 基本型群鉆的主要結構和設計參數(shù) 群鉆鉆尖的結構和設計參數(shù)同普通麻花鉆一樣 也是在鉆頭結構基準系或結 構坐標系中規(guī)定和定義的 通過這些參數(shù)就可以確定群鉆鉆尖各切削刃和刀面的 空間形態(tài) 同時也便于鉆尖在刃磨過程中的控制和檢測 根據(jù)文獻 1 基本型群 鉆切削部分的幾何參數(shù)見表2 1 表2 1 基本型群鉆鉆削部分的幾何參數(shù) 鉆尖圓外槽槽橫槽槽外內橫內內外圓 尖高弧刃距寬刃深數(shù)刃刃刃刃刃刃弧 直 半長 z 2 長 c z頂項斜前斜后后 徑徑f 角角角角角角角 d r 2 p o2 以 妒 y 它 z 口扛 a 砌 毫米 條 4 00 2 4o 7 51 3o 2 4 7 1 00 3 41 01 90 3 4 2 01 51 8 1 0 1 50 5 0 1 5 2 7o 5 0 1 5 2 00 71 55 51 42 7o 7 2 0 2 50 9271 83 40 9 2 5 3 01 1 2 5 8 52 2 4 2 1 1 11 1 2 51 3 56 5 1 5 2 51 21 5 3 0 3 51 33 1 02 55 1 3 3 5 m1 53 51 1 52 95 81 5 4 0 幅1 741 32 23 2 51 7 4 5 5 01 94 51 4 52 53 61 9 1 523 01 01 2 5 0 一6 02 251 72 94 2 52 2 基于g r i n d s m a r t6 2 0 x st 具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 群鉆鉆尖的結構參數(shù)分為角度參數(shù)與線值參數(shù) 鉆頭的結構角度是在結構基 準系中規(guī)定和定義的 如圖2 4 所示 鉆頭結構基準系中包括三個基準面 與鉆 軸相垂直的端平面p 與兩主刃上的外緣轉點和橫刃轉點連線相平行且通過鉆心 的結構基面p 嵋 通過鉆頭軸線并與前兩者垂直的中心平面p c t j 荔 r q 多 k 4 j j f7 夕贍i 7 中心平面眾5 j i 夕 力 4 孓司i o 九 唼 j 纛彰認 t 荔琵 崎妒 聲 三杖 二2 墻平匿量r 結構基備主 越 囊 乎 一 7 f 氘纛 矗盛i 菇 圖2 4 群鉆的基準面 群鉆的結構參數(shù)包括 原始鋒角2 p o 鉆尖一條原始主刃母線與鉆頭軸線的夾角 即主切削刃在結 構基面上的投影與鉆頭軸線的夾角 外刃半頂角p 在鉆頭結構基面內測量的外刃上外緣轉點處的切線與鉆軸 之間的夾角 外刃圓周后角口奪一一在以鉆頭軸線為軸線的圓柱面內測量的外刃選定點d 即外緣轉點 處 后刀面廓線的切線和端平面之間的夾角 圓弧刃圓周后角口r 在以鉆軸為軸線的圓柱面內測量的圓弧刃上選定點 n 處 即弧底處 后刀面廓線的切線與端平面之間的夾角 外刃與圓弧刃交點c 處的側后角a 圮 在端平面內測量的圓弧刃后刀面和外 刃后刀面的交線在c 點的切線與c 點的圓周切線之間的夾角 內刃斜角f 內刃在端平面上的投影與鉆頭結構坐標系x 軸間的夾角 內刃半頂角成 在通過鉆軸并平行于兩內刃的平面內測量的內刃與鉆軸之 間的夾角 內刃法前角k 內刃中點的結構法前角 它是在內刃法平面內測量的 該 點的前刀面與內刃結構基面之間的夾角 橫刃斜角妒 在鉆頭端平面上測量的鉆心尖處橫刃切線與結構坐標系x 軸 的銳夾角 橫刃前角y 曲 在主剖面內測量的鉆尖后刀面與基面間的夾角 前刀面螺旋角風 鉆頭一側刃帶邊緣刃的切線與鉆頭軸線的銳夾角 后刀面螺旋角鼠 鉆頭后背棱的切線與鉆頭軸線的夾角 群鉆的線值參數(shù) 長度參數(shù) 包括 碩士學位論文 鉆頭直徑d 外刃長度f 即圖2 3 中c d 或c d 的長度 槽距 即分屑 槽到外緣轉點的距離 分屑槽寬z 槽深c 圓弧刃的圓弧半徑墨 橫刃長度 鉆尖高度 即鉆心尖與兩邊的圓弧刃尖沿鉆頭軸線方向的高度差 鉆芯半徑 o 2 3 基本型群鉆的切削特點及其優(yōu)點 群鉆是1 9 5 3 年在解決加工特種鋼難題中產(chǎn)生的 發(fā)展到今天其刃形經(jīng)過了五 次較大的變化 但它始終保持了運用凹形圓弧刃這一群鉆鉆型的基本特色 這種 獨特的刃形結構其突出作用在于 一是加大前角 改善切削條件 二是形成新的 刃尖 達到充分分屑 三是降低鉆心尖 使得橫刃可以大大縮短 因此 可以看 出 多刃尖的凹圓弧刃是群鉆最鮮明的特色i l j 群鉆的鉆削過程有其自身的特點 主要表現(xiàn)在 1 群鉆磨出了單邊分屑槽和 對稱的月牙形圓弧槽 原來的直切削刃被分成了外刃 圓弧刃 內刃等多段 并 且在各段交界處有明顯的轉折點 因此能保證分屑良好 排屑順利 斷屑可靠 2 群鉆進行了橫刃修磨 橫刃變得窄而尖 剛接觸工件時鉆頭滑移量小 隨后切入 時發(fā)生的晃移也小 大大減弱了產(chǎn)生多邊形晃振的條件 同時 兩邊對稱的圓弧 刃刃尖在孔底形成圓環(huán)凸筋 制約了群鉆的偏移與振動 具有穩(wěn)定導向作用 因 此 群鉆鉆削時定心良好 3 群鉆磨出了凹形月牙槽 其鉆心尖與外緣轉點間的 總高度減短 有利于鉆頭迅速進入穩(wěn)定的切削狀態(tài) 4 群鉆各刃段的工作前角都 有不同程度的加大 因此切削變形小 切削溫度低 5 群鉆在切削加工時 由于 其切削變形小 切削穩(wěn)定 晃振小 定心好 積屑瘤的產(chǎn)生情況稍有改善 并且 分屑 排屑 斷屑情況均較好 因此 與普通麻花鉆相比 它的加工表面質量較 好 鉆孔精度也較高 群鉆的切削特點決定了它在很多方面的性能優(yōu)于一般的鉆頭 1 降低了鉆削 抗力 鉆鋼材時 基本型群鉆的軸向力約比普通麻花鉆降低3 5 4 7 轉矩約降 低1 0 3 0 2 減少了鉆削熱 降低了切削刃上的溫度 3 減輕了切削刃的磨 損 提高了鉆頭的耐用度 從而可提高生產(chǎn)效率3 5 倍 4 改善了排屑和斷屑情 況及操作安全性 5 便于切削液流入切削區(qū) 6 減輕了鉆孔時鉆頭軸線的傾斜 提高各孔軸線的平行度 7 提高了孔型的圓柱度 8 鉆頭切入工作快 定心情 況好 當需要劃線鉆孔時 便于鉆頭進行找正 1 1 2 4 小結 本章主要介紹基本型群鉆 三尖七刃一的形狀特點 群鉆的切削特點和優(yōu)異 切削性能以及群鉆各設計與結構參數(shù)的定義 為群鉆數(shù)學模型的建立奠定初步的 理論知識基礎 基于g r i n d s m a r t6 2 0 x st 具磨床的群鉆數(shù)學模型研究 第3 章螺旋面鉆尖的數(shù)學模型及刃磨參數(shù)的求解 群鉆由普通麻花鉆通過特定的刃磨方法刃磨出來 因此 群鉆加工性能的好 壞與鉆尖的刃磨方法緊密相關 鉆尖的刃磨方法主要有四種 平面刃磨 圓柱面 刃磨 錐面刃磨和螺旋面刃磨 錐面刃磨和螺旋面刃磨能夠得到近似直線主刃 主刃上的結構圓周后角沿外緣轉點到鉆心逐漸增大 后背棱線上尾隙角的分布也