基于特征造型技术的棱体成形车刀设计

基于特征造型技术的棱体成形车刀设计
    成形车刀是广泛应用于普通车床、六角车床、铲齿车床、自动车床和自动线加工的专用刀具,可加工各种回转体的成形表面。使用成形车刀加工成形车刀是切削加工中常用的加工回转体成形表面专用刀具,其切削刃形状是根据被加工回转体表面廓形设计的。采用成形车刀加工不仅可保证稳定的加工质量,而且生产率高、刀具可重磨次数多、使用寿命长。但传统的成形车刀手工设计方法设计周期长、工作量大、设计精度不高。为缩短设计周期,提高设计精度,开发了棱体成形车刀计算机辅助设计系统。生产效率高、加工精度稳定、刀具使用寿命长、刃磨简便,可获得较高经济效益。
关键词  成形车刀,三维实体造型,三维模型,VB
1  绪论    1
1.1 成形车刀的概述    1
1.2 研究课题的背景和意义    2
2  基于特征造型的棱体成形车刀的CAD开发的基础技术    2
2.1 “反形法”加工法技术概述    2
2.2 系统开发平台    3
2.2.1 SolidWorks的功能特点    3
2.3 面向对象的程序设计    4
2.4 Visual Basic功能特点    5
2.4.1 Visual Basic的简介    5
3  程序设计原理与思路    6
3.1 设计总方案    6
3.2 程序设计思路    6
4  基于特征造型的棱体成形车刀的精确设计与实现    7
4.1  设计的总方案和程序框图    7
4.1.1 设计总方案    7
4.1.2 设计程序框图    7
4.2  对话框设计    8
4.3  三维实体模型生成的开发过程    15
4.4    实例说明棱体成形车刀参数化设计与实现    16
4.4.1 设计的步骤    16
4.5  成形车刀的廓形生成的方法和截面参数化方法    19
4.5.1 成形车刀廓形生成方法    19
4.5.2 截面廓形参数化方法    21
5  成形车刀的加工材料    23
6  系统的功能与特点    23
6.1  系统的功能特点    23
6.2  系统的界面特点    24
6.3  系统的存在问题及后续开发    25
结论    25
致谢    26
参考文献    27
1.1 成形车刀的概述
成形车刀是广泛应用于普通车床、六角车床、铲齿车床、自动车床和自动线加工的专用刀具,可加工各种回转体的成形表面。采用成形车刀加工可保证稳定的加工质量,生产率高。成形车刀必须有前角、后角, 因此其法剖面廓形就与工件的轴剖面廓形不相同, 设计成形车刀时, 必须根据工件轴向廓形和所选定的前角、后角值求得刀具上相应的法向廓形。
在整个21世纪中,切削加工仍是机械制造业的主导方法,切削加工(含磨削)不仅占其90%以上的份额,而且刀具消耗费用占到制造成本的2%-5%,刀具在机械加工中担当着十分重要的角色。国外企业所讲“:企业的红利在刀刃上”。但是,由于我国机床工具行业长期以来重主机,轻工具,在发展战略上数控刀具与数控机床的发展严重脱节,使我国工具技术的发展与现代制造业的要求相距甚远,因此,提高刀具设计制造水平、优化刀具结构、创新刀具设计思维、赶超刀具新技术发展,对我国机械制造业的发展将起到重要的推动作用。成形车刀目前在汽车厂、拖拉机厂、轴承厂等工厂中应用较多。主要用于在半自动或自动车床上大量加工内、外回转体的成形表面。
近年来,一些研究人员采用计算机技术,利用AutoCAD的交互设计功能进行计算机作图,用AutoCAD内嵌的Auto Lisp语言实现计算,提高了作图效率和设计精度,但仍然采取以直线或圆弧近似的设计廓形,存在着较大的廓形误差。而利用AutoCAD三维交并差造型功能来设计的刀具廓形,无刀具结构尺寸特征,仅能完成对刀具廓形的三维造型。目前这几种计算机设计法主要采用交互设计,无法实现参数化,因此每一把新刀具都必须重新交互设计。
随着计算机技术的发展,基于特征造型的参数化造型技术已广泛应用于机械制造的各个领域,如国内外各大飞机、汽车制造产商都利用该技术来制造产品的各零部件。该课题通过利用CAD/CAM技术,完成基于SolidWorks三维特征造型的成形车刀的模型,从而可以实现高效、低成本的完成成形车刀的精确设计。
这种基于特征造型的参数化设计技术以约束造型为核心,以尺寸驱动为特征,允许设计者首先进行草图设计,勾画出设计轮廓,然后输入精确尺寸值来完成最终的设计。
与以往的设计方法相比,参数化设计更符合实际工程设计习惯,尤其在系列化设计中的优点更加突出,同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现。成形车刀的廓形是以其后刀面法剖面内的形状来表示的。

1.2 研究课题的背景和意义
   基于特征的产品三维参数化造型设计就是将基于特征模型的造型方法与参数化设计有机的结合起来,是建立在实体造型和三维参数化设计基础之上,更适合于计算机集成制造系统的产品设计方法。使用较完整的带有语义的特征描述方式,并使特征本身就包含参数化变动所需的成员变量和成员函数,将面向对象的技术应用于特征的描述,在造型中也使用参数化,随时可调整产品结构、尺寸,并因此带动特征自身的变动,实现产的品基于特征的三维参数化造型设计。成形车刀是加工回转体工件成形表面的专用刀具。成形车刀设计包括廓形设计和结构设计。廓形设计修正必须根据工件廓形来确定刀具廓形,是设计的关键步骤之一。传统的成形车刀廓形设计一般采用作图法或计算法,作图法直观但设计精度较低,计算法繁琐复杂。
本课题研究的成形车刀是加工回转体成形表面的专用刀具,其刃形是根据工件廓形设计的,可用在各类车床上加工内外回转体的成形表面,用成形车刀加工零件时可一次加工形成零件表面,操作简便,生产率高,加工后能达到公差等级IT8—IT10,粗糙度为10—5μm,并能保证较高的互换性。但成形车刀制造较复杂,成本较高,刀刃工作长度较宽,故易引起震动。成形车刀主要用在加工批量较大的中,小尺寸带成形表面的零件。但是成形车刀的廓形尺寸计算过程比较复杂,还需要进行廓形修正计算,如果通过手工完成这一过程工作量将是个很大的过程而且得出的成形车刀的廓形精确性不高,所以通过计算机辅助设计来提高廓形的精确。
随着计算机技术的快速发展,目前,三维CAD已经进入普及应用阶段,因此,利用三维CAD强大的功能,在三维实体环境中用模拟的方法实现“反形法”加工,进而直接得到成形车刀的三维实体模型,再从三维模型得到所需截面的刀具廓形已不再困难。如果能通过研究成形车刀设计理论及三维软件的造型技术,对成形车刀廓形进行截形的精确设计,利用基于特征的参数化造型方法,可以有效的减少修改设计的时间及成本,提高成形车刀的设计质量和效率。
2  基于特征造型的棱体成形车刀的CAD开发的基础技术
2.1 “反形法”加工法技术概述
成形车刀制造的“反形法”加工法是将与被加工工件形状完全相同的刀具(称为二类成形车刀,即制造成形车刀的成形车刀)按实际加工工件时的相对位置去切削成形车刀。采用这种“反形法”加工成形车刀,勿需进行车刀廓形的修正计算。但因“反形法”加工在应用上受到一定限制,因此在实际生产中已很少采用。随着计算机技术的快速发展,目前,三维CAD已经进入普及应用阶段,因此,利用三维CAD强大的功能,在三维实体环境中用模拟的方法实现上述反形法加工、进而直接得到成形车刀的三维实体模型,再从三维模型得到所需截面的刀具廓形已不再困难。本课题研究一种基于SolidWorks系统的成形车刀设计新方法,该方法利用SolidWorks的特征造型、模拟装配、直接生成关联的工程图等功能实现成形车刀的参数化设计,对于不同的被加工件只需更改车刀的二维廓形以及相应的刀具参数就可以直接得到相应的刀具图纸。

2.2 系统开发平台
2.2.1 SolidWorks的功能特点
   SolidWorks是美国SolidWorks公司1995年11月研制开发的基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。SolidWorks公司成立于1993年,由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起,总部位于马萨诸塞州的康克尔郡(Concord,Massachusetts)内,当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今,至2010年已经拥有位于全球办事处,并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年,Solidworks被法国达索(Dassault Systemes)公司收购,作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks具有基于特征的参数化实体造型、NURBS复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于约束
的装配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DXF、DWG等数据交换及其独有的特征识别器(Feature works)等一系列先进的三维设计功能及工具,将二维绘图与三维造型技术融为一体,为PC机上实现CAD/CAM的集成提供了条件。该软件采用自顶向下或自下向上的设计方法,可动态模拟装配过程,自动生成同实体相关联的工程图纸。SolidWorks特征管理器中先进的特征树结构使操作更加直观,其完全的参数化设计和可修改性使应用更加方便。SolidWorks的主要功能:
(1)基于特征的参数化实体造型
应用SolidWorks的拉伸、切除、旋转、扫描、放样、旋转切除、抽壳、倒角和倒圆等基于特征的三维实体造型工具,能够方便、快捷地创建任意复杂形状且具有参数化特征的实体,通过改变尺寸可以对实体进行编辑。通过在嵌入或插入的Microsoft Excel工作表格式的系列零件设计表(Design Table)中对指定参数简单地改变其尺寸配置,就可以同时完成对一个零件多个尺寸值的修改,从而实现系列零件尺寸驱动设计和编辑,方便地建立零件库。此外,还可以通过使用方程式来定义参数间或尺寸变量间的数学关系。
(2)装配体设计和工程分析
SolidWorks的装配体设计工具能够采用“自顶而下”或是“自底而上”的方法创建和管理包含成百上千个零部件的装配体和子装配体,各零件间可以建立重合、平行、相切、同心、距离、角度、垂直、同向或反向对齐等装配配合关系,可重新组合子装配,并可以对装配体进行封套,还可以将两个或更多的零件连接重组成一个新的零件。
利用SolidWorks的分析工具能进行动态、静态干涉检查,计算质量特征如质心、惯性矩等。
利用SolidWorks的装配文档工具能自动开发全参数化的零部件关联材料明细表、创建装配视图及具有指引线的零部件编号。
(3)图纸的全相关性
SolidWorks通过零部件之间、三维零部件与二维图纸之间的关联,可智能连接三维模型和二维图纸,自动生成零部件尺寸、材料明细表(BOM)、具有指引线的零部件编号等技术资料,从而简化工程图纸的生成过程。
SolidWorks 由零部件的三维模型直接生成工程图纸,结构和尺寸完全相关,实现更新完全同步,并能自动进行动态约束检查。SolidWorks 不但具有强劲复杂的曲面造型能力,还具有 CAD/CAE 功能。SolidWorks 通过ActiveX Automation 技术为用户提供了强大的二次开发接口,凡支持ActiveX Automation编程的开发工具,如Visual C+ +、Visual Basic、Delphi 等均可用于SolidWorks 的二次开发,创建出用户定制的企业级功能模块。
2.3 面向对象的程序设计
面向对象的程序设计方法是通过增加软件的可扩充性和可重用性来提高程序员的编程能力的。在软件设计和实现中,传统的、人们广泛使用的方法是面向过程的程序设计方法。
面向过程的程序设计思想的核心是功能的分解。当程序员试图用VB或其他语言来设计程序以解决一个实际问题时,第一步要做的工作就是将问题分解成若干个称为模块的功能块,然后根据模块功能来设计一系列用于存储数据的数据结构,最后编写一些过程(或函数)对这些数据进行操作。最终的程序就是由这些过程构成的,显然,这种方法将数据结构和过程作为两个实体来对待,其着重点在过程,设计人员首先考虑如何将功能分解,在每一个过程中又要着重安排程序的操作序列。但同时程序员在编程时又必须时时考虑数据结构,因为毕竟要将操作作用于数据上。数据结构和过程的这种分离,给软件人员造成沉重的负担。因此,面向过程的程序的可重用性差,维护代价高。
几个月的毕业设计已近尾声,面对这段时间以来的劳动成果,我感慨万千。毕业设计系统地应用了我在大学四年里所学的知识,它使我的知识得以全面提高。在整个毕业设计过程中我得到了很多人的指导和帮助,首先要感谢我的指导老师——老师的悉心指导,他对我的毕业设计关键部分提出了许多宝贵的意见,对于我所遇到的问题能够耐心指导,让我在这次设计中学到了许多东西。他以渊博的知识、严谨的教学态度、细心的关怀,指导我完成了毕业设计。同时还要感谢我的同班同学,他们在我遇到困难的时候,给予我很大帮助。
在工学院读书期间,始终得到机械工程学院的各位领导和老师的帮助、鼓励和支持,在此向他们表示诚挚的谢意,他们宽厚待人、治学严谨,在学业和精神上都给予了我无私的关怀,是我心目中永远的良师、益友和学习的风范!
最后,感谢我的家人和同窗学友、老师的关心、帮助,他们给予我的关心和爱护我时刻铭记于心!

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好棒文