炮管混合膛线的数控加工仿真

炮管混合膛线的数控加工仿真 炮管混合膛线的数控加工仿真 第28卷第2期 2008年O4月 西安工业大学 JournalofXi'an.TechnologicalUniversity Vo1.28No.2 Apr.2008 文章编号:1673—9965(2008)02—119—04 炮管混合膛线的数控加工仿真 唐霖,范植坚 (西安工业大学机电工程学院,西安710032) 摘要:针对渐速混合膛线电解加工(ElectrochemicalMachining,ECM)阴极设计难度大, 研制周期长等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,采用数控仿真设计阴极工作齿.根据给定的几何参数和弹道方程分别建立 数学模型和几何模型,进行加工仿真.根据修正后的模型参数设计出电解加工阴极,加工出炮 管膛线.实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:在电解加工过程中采用计算机辅助设计的方法设计炮管膛线阴极,可减少 试验次数,缩短阴极工作齿的设计周期. 关键词i电解加工(ECM);阴极设计;混合膛线;数控加工 中图号:TP391.9文献 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 码:A 电解加工作为机械加工的补充手段已经走过 了半个多世纪,在难加工材料和复杂形状的零件加 工中已得到广泛应用.采用传统的机械拉刀加工炮 管膛线,不仅生产效率低,表面质量差,而且拉刀造 价比较昂贵口].渐速混合膛线即一种变螺旋角内螺 线,利用电解加工方法解决混合膛线的加工无疑是 一 种有效的途径之一,目前在中小口径炮管膛线加 工中已成为定型的加工工艺Ez],但新阴极的研制必 须经过反复试验,对阴极体锥度,长度,工作齿切进 角度进行修正且新阴极研制周期长,试验难度大 等.文中考虑采用计算机辅助设计的方法来解决炮 管膛线电解加工阴极设计;并将电解加工的工艺参 数移植到数控技术中,根据阴极工作齿的各参数建 立了合理的数学模型. 1阴极设计路线 先根据电解加工成形规律确定目标函数和设 计参数阴极工作齿宽度,工作齿长度,阴极齿 半锥角J9,以及切进角,从减小阴极工作齿干涉的 角度和提高生产效率的角度建立数学模型.再根据 数学模型和几何参数建立机床,炮管毛坯,夹具等 模型,编写数控程序,进行加工仿真,得到加工模 型,将其与理论设计模型进行分析比较,若在误差 范围外,通过不断"修正"阴极工作齿模型,达到设 计要求. 2模型的建立 2,1阴极工作齿的数学模型 阴极工作齿数学模型的建立要考虑的参数有 膛线宽B,深H,阴极工作齿后端宽,前端宽b, 工作齿齿长,阴极工作齿示意图如图1所示.另 外侧向加工间隙?f,线深方向间隙,渐速段起 始缠角z8,最终缠角.z.以及缠角变化率,也是数 学模型建立所必须考虑的参数.根据加工对象的弹 道方程一.z./p,其中z为炮管轴向坐标,P为某 6. 图1阴极工作齿示意图 Fig.1Sketchofthecathodeworkingtooth *收稿日期:2007—12—25 基金资助:装备部"十一五"预先研究项目(51318030401) 作者简介:唐霖(1979一),男,西安工业大学助教,主要研究方向为特种加工技 术.E-mail~.tang一1in168@126corn. 12O西安工业大学第28卷 炮管弹道方程的常系数,Y为径向坐标.通过求导 弹道方程,可得缠角的变化率tan,其中为, 切线间的夹角,z为t时刻走过的阴极齿长,为t 时刻对应的阴极齿宽度,为阴极体在炮管轴向 的速度,为径向的速度,炮管膛线展开示意图如 图2所示. 图2炮管膛线展开示意图 Fig.2Expandingdrawingofmixturerifle 渐速膛线的缠角是随轴向进给的位置而 变化的,当阴极按弹道方程运动时,与阴极体刚性 连接的工作齿是固定的,在进给过程中不可能再改 变,因此就不可能始终保持与缠角的角度一致,必 然会与膛线侧壁发生干涉,加工的结果使膛线加 宽,产生阳线"塌壁",缠角越大,缠角的变化越大, 线越深,"塌壁"越严重.当工作齿的角度按最终角 设计时,加工中对起始段必然造成模型加宽,这 里称为"干涉",通过缩短工作齿长度,来减小干涉, 但降低了加工效率.因此,建模中要考虑 1)使工作齿前端切进,减小b 在膛线起始段被加宽的量(含蚀除)一B一 b^:L女ta,B,忽略加工间隙,得 B女一L女tan(x.+)+L女tan(x.,)+b女(1) 如果把阴极工作齿分成无限段(每段长dx), 膛线成型每一截面被蚀除的材料即为阴极工作齿 全长段蚀除的积分 rf.. V—I[xtan(x~+)+xtan(一)+b女]xtar~dx,J0 得 v:tm『堕+](2)L 2)建立L,与电流,的关系 当阴极上的电流密度一定时,越长,J越大, 由J—i, 厶 J:/Lb+lL2[tan(x3+)+tan(x.一)](3) 由式(3)可知,L,取何值,同时保证尽可能大, 尽可能小,即当一o,一0时,取L,的 最佳值. 2.2实体建模的建立 阴极工作齿的三维实体模型就是根据阴极齿 设定的参数,在三维建模软件Pro/E中利用软件已 有的拉伸和旋转混合拉伸指令,进行阴极工作齿的 参数化建模,如图3为阴极工作齿的模型,因某炮 管膛线实际为48根内螺线,因此阴极工作齿必须 为48根齿,图3左面是48根齿,为简化模型,在仿 真的过程中采用如右图所示单根齿模型. 图3工作齿齿型模型 Fig.3Modelingofworkingtoothshape 复杂的Pro/E实体炮管毛坯模块可以导人到 VERICUT中去作为炮管模型应用.文中的毛坯 建模是深孔钻后的管料,通过Pro/E建立的模型 采用IGES的格式导人到VERICUT中_L3],如图4 待加工的毛坯棒料模型,炮管内径为155mm,外 径为200mm,炮管毛坯的长度为8000mm. 图4炮管毛坯模型 Fig.4Modelofbarrelblank 在VERICUT中,将阴极工作齿借用铣刀的 文件窗口建立阴极工作齿刀具模型.由于电解加工 阴极形状复杂,不能够在VERICUT中建立与实 际的阴极模型一样,因此仿真的过程中,必须简化 阴极工作齿的模型.为了便于建立刀具模型,建立 一 个便于仿真同时还能解决问题的模型,这里将数 控机床中铣刀模型应用到电解加工仿真中.在 ToolManager窗口下点击M?,添加新的铣刀,再 点击Cutter,进行刀头和刀柄的描述,如图5所示 的刀具阴极模型. 为了使仿真更具形象逼真,还建立了数控电解 加工机床模型.在VERICUT的ComponentTree 窗口中添加各运动部件并设置其在机床回零的位 置,即可得到机床的运动学模型,然后在Model中 第2期唐霖等:炮管混合膛线的数控加工仿真 图5阴极齿模型 Fig.5Cathodetoothmodel 为模型中的每个运动部件添加几何实体模型,并通 过面配合和面齐平以及移动等操作实施零部件的 装配|4].最后保存User文件和机床文件,图6为数 控机床的三维模型和机床组建树. 图6机床模型和机床组建树 Fig.6Modelofmachinetoolandcomponenttree 建立理论设计模型是为了跟加工模型进行分 析比较,为了能看到炮管内部的膛线形状,在UG 中设置成透明,图7为炮管膛线理论模型.理论膛 线的建立是根据图2所示的炮管膛线弹道方程来 建立,利用UG中的参数化建模方法,模拟出准确 的膛线. 图7炮管膛线理论设计模型 Fig.7Theorymodelofbarrelrifle 3VERICUT的数控仿真 根据弹导方程绘制的混合膛线展开图如图2 所示,包括3段不同的缠角组成的混合膛线展开示 意图.机床上进行轮廓加工的各种工件,大部分由 直线和圆弧构成[5].若加工对象由其他二次曲线和 高次曲线组成,可以采用一小段直线和圆弧来拟合 (有些场合需要抛物线或高次曲线拟合),就可以满 足精度要求,这种拟合的方法称为"插补"l_6]. 模型建立完后,就可以点击开始按钮进行炮管 膛线的加工仿真.图8为炮管膛线加工完的视图. 图8加工模型 Fig.8Machiningmodel 4试验验证 根据设计模型的参数:阴极工作齿后端宽&, 前端宽,工作齿齿长,侧向加工间隙,线深 方向间隙?O,渐速段起始缠角翻,最终缠角等 之间的数学关系,再根据已给的炮管膛线的数据等 设计加工的炮管膛线阴极如图9所示.设计过程中 还要考虑到阴极后导引的长度要适中.同时在卧式 电解加工机床上加工出炮管膛线,截取其中一薄切 片如图1O所示.将在线切割机床上切下来的炮管 切片跟理论的某节点的数据进行分析比较,加工出 的炮管膛线的阴线和阳线尺寸以及膛线线宽在误 差范围内,符合要求. 图9加工炮管膛线的阴极 Fig.9Cathodeformachiningbarrelrifle 图10炮管切片 Fig.10Crosssectionofbarrel 5结论 1)结合加工对象的弹道方程研究了阴极运动 轨迹,膛线生成过程;针对阴极工作齿主要参数(齿 长,齿宽,切进角)对成型规律的影响,分析了混合 膛线阴极齿形对膛线侧壁的干涉影响规律,建立了 数学模型. 2)VERICUT能跟其他大型仿真软件进行交 122西安工业大学第28卷 互式连接导入,使建立几何模型更方便.得到的膛 线具有真实的视觉效果,使设计过程更具直观性. 3)试验证明,该系统具有一定的精度和实用 性,是缩短阴极设计周期的一条途径.计算机上进 行虚拟数控加工仿真能够显着降低生产成本,提高 生产效率,缩短生产周期,具有可操作性和安全性 的优点,采用计算机辅助的方法来设计炮管膛线阴 极是可行的. 参考文献: [1] [2] [3] 刘辰,范植坚,范庆明,等.炮管膛线电解加工计算机 仿真系统研究[J].西安工业学院,2005,25(5): 409. 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Keywords:electrochemicalmachining(ECM);cathodedesign;mixturerifle;numericcontrolmachining (责任编辑,校对张立新)