板式家具生产设备之内冷钻头

暖心少

内冷钻头是一种机械加工工具，从柄部到切削刃有1~2个通孔，使压缩空气、油或切削液穿过，起到冷却刀具和工件，并冲走切屑，特别适合用于深孔加工。内冷钻头包含了大量的复杂曲线和复杂曲面,传统的手工绘图设计过程中需要很多的计算,工作量大,且模型修改困难,不利于产品的系列化设计。使用CAD软件进行交互式设计,只是将画图环境从纸上转移到了计算机上,并不能提高设计的效率。因此,建立准确的数学模型对内冷钻头的各个结构进行描述并应用于三维参数化建模具有重要的现实意义。
  1、硬质合金内冷钻头基本结构
  全面了解硬质合金内冷钻头的基本结构是进行精确建模的基础。硬质合金内冷钻头结构与传统麻花钻头相比,由于存在冷却孔,大大提高了冷却效率。为适应高硬材料的钻削,硬质合金内冷钻头的钻尖部分结构需要在传统麻花钻的基础上进行改进。
  硬质合金内冷钻头主要由钻尖、导屑槽、螺旋槽、退刀槽、刀柄、冷却孔等6部分组成,具体结构见图。下面对钻尖和退刀槽部分进行介绍。
  
  钻尖在钻削时需要承受绝大部分的推力和扭矩,它的结构在很大程度上影响钻头使用时工件的加工质量和钻头自身寿命,是其最重要的组成部分,如图2所示。与传统麻花钻的钻尖仅包含单曲面或双曲面组合不同,内冷钻头钻尖部分包含了多个曲面,包括前刀面、螺旋面后刀面、第一后刀面、第二后刀面、Gash面、螺旋面中间曲面等。冷却孔呈螺旋状延伸并且贯穿钻身,在钻尖部分与Gash面和第二后刀面相交。
  退刀槽是螺旋槽面与钻头外表面的过渡曲面,主要用于加工时切屑的排出,可以提高加工孔表面质量以及加工效率。退刀槽的结构比较复杂,由多个曲面衔接而成,难以建立完整的数学模型。
  2、三维参数化建模及其系统的实现
  为了检验钻头数学模型的准确性,需要在三维软件中建立三维参数化模型进行验证。本文使用UG软件,应用其强大的造型功能,进行二次开发,建立硬质合金内冷钻头三维参数化模型,并成功搭建了硬质合金内冷钻头三维参数化设计系统。
  2.1 硬质合金内冷钻头三维参数化建模
  UG具有多种二次开发形式,包括UG/Open GRIP、UG/Open KF、UG/Open API等。综合比较各种开发方式的优劣,本文选取UG/Open API作为开发工具。为了保证钻头三维参数化模型的准确性,按照实际生产硬质合金内冷钻头的步骤结合数学模型进行参数化建模。
  
  根据式计算式及6个关键点的坐标,在UG中使用UF_CURVE_create_line、UF_CURVE_create_arc_point_point_radius等UG/Open API函数,并通过一定的坐标转换。
  在UG/Open API函数库中,没有直接可用的螺旋线生成函数,需要使用样条曲线进行拟合,运用UF_CURVE_create_spline_thru_pts函数进行操作。将周刃截形沿螺旋线进行扫掠(UF_MODL_create_sweep函数)得到螺旋槽片体,运用UF_MODL_trim_body函数与圆柱毛坯体进行修剪体操作,得到螺旋槽模型。
  在钻头参数化建模过程中,退刀槽的建模是一大难点。退刀槽部分结构复杂,由曲面光滑过渡衔接而成,无法通过数学模型的方式进行三维建模。本文利用UG强大的曲面建模功能,使用桥接曲线(UF_CURVE_create_bridge_curve函数)、网格曲面(UF_MODL_create_curve_mesh函数)等操作,成功建立了退刀槽模型。
  按计算式生成钻尖对称轴线和第一后刀面直线,并根据两条直线确定修剪平面,与圆柱毛坯体进行修剪体操作,得到第一后刀面模型。第二后刀面的建模过程和第一后刀面类似。计算Gash面截形三点的坐标,生成截形,再沿钻头中心轴线垂直扫掠,与圆柱体进行修剪体操作,得到Gash面模型。
  2.2 硬质合金内冷钻头三维参数化设计系统的实现
  为了实现交互式建模,在UG中建立硬质合金内冷钻头三维参数化设计系统,运用UG/Open二次开发技术,实现系统和UG软件的无缝连接。本文使用UG/Open MenuScript建立系统菜单栏,UG/Open UIStyler建立系统用户对话框,生成需要的菜单和对话框文件;在Visual Studio中使用UG/Open API函数库进行三维建模的程序编写,生成动态链接库文件。
  硬质合金内冷钻头三维参数化设计系统基于UG环境,运行方便,操作简单,在几何参数确定之后,可以快速地生成三维参数化模型,生成的模型满足螺旋角、端刃后角等参数要求,螺旋槽、退刀槽等部位连接光滑。
  硬质合金内冷钻头的几何结构复杂,螺旋槽、钻尖等部位因为复杂曲线和复杂曲面的存在,使得精确建模的难度较大。本文对硬质合金内冷钻头的几何结构进行了分析,针对不同的部位进行数学建模,建立了螺旋槽、前刀面、后刀面、Gash面等部位的准确数学模型。借助UG中二次开发工具,建立了硬质合金内冷钻头三维参数化设计系统。经过测试,系统可以实现硬质合金内冷钻头的三维快速建模和精确建模,在保证设计精度的前提下,减少了设计时间,提高了设计效率。