混合膛线阴极计算机辅助设计

　收稿日期: 2008-10-20　　　　修回日期: 2009-03-13 * 基金项目: “十一五”先进制造技术重点基金( 51318030401) , 教学改革研究基金资助项目( 070201) 　作者简介: 唐　霖( 1979-　) , 男,江苏泰州人, 硕士, 主要 研究方向:特种加工技术。 文章编号: 1002-0640( 2010) 03-0065-03 混合膛线阴极计算机辅助设计* 唐　霖,范植坚 (西安工业大学机电工程学院, 西安　710032) 　　摘　要: 为解决渐速混合膛线电解加工阴极设计难度大, 研制周期长,采用数控仿真软件 VERICU T 设计阴极工作齿。根 据给定的几何参数和弹道方程建立数学模型; 建立阴极工作齿、数控机床、炮管毛坯实体模型和炮管膛线的理论设计模型;选 择机床数控系统; 编写数控程序;优化阴极并进行试验。试验显示, 在电解加工中采用计算机辅助设计进行阴极设计是一条可 行的途径。 关键词: 电解加工,阴极设计, 混合膛线,计算机辅助设计 中图分类号: TP391. 9　　　　文献标识码: A Computer Aided Design of Cathode for the Admixture Rif le T ANG Lin, FAN Zhi-jian ( School of Mechatr onic Engineer ing, X i’an Technological Univer sity , X i’an 710032, China) 　　Abstract: It’s a complex , reiterat ive and t ime consuming process to design an ef fective cathode for elect rochemical machining ( ECM ) of accelerando rif le. In this paper, w e f irst ly apply the pow er ful facilities of VERICUT combined using Pro / E to establish the geometrical models for machine, cathode tools and holders, set up the whole numerical cont ro l sy stem afterw ards, f inally generate G code to r ealize simulat ion to assess the rationality of designed cathode too th shape and invest igate the over/ ow es cutt ing pr oblems to opt im ize cut t ing tool . T he resear ch indicates that it m ight be a feasible and promising w ay to design the cathode tool for ECM by VERICUT sof tw are. Key words : elect ro chem ical machining( ECM ) , cathode design, admix ture r if le, computer aided design 引　言 渐速膛线实质就是一种变螺旋角内螺线,采用 传统机械加工生产效率低, 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 面质量差,拉刀昂贵且 磨损严重[ 1]。拟采用计算机控制电解加工。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, 以权衡加工精度和效率, 阴极 研制周期长, 试验难度大。采用计算机辅助设计可以 缩短阴极的设计周期, 曾采用 VC+ + 6. 0和三维造 型软件 Open GL 开发面向对象的数控加工仿真系 统[ 2] ,这种方法需编写大量代码程序进行实体渲染、 着色、动画及消隐,工作量大, 系统维护性差, 无法显 示毛坯去除材料的过程。 Vol. 35, No. 3 M ar, 2010 　 　 火力与指挥控制 Fire Cont rol & Command Cont rol 　 　第 35卷　第 3期 2010年 3月 1　总体设计思路 本文采用下页图 1 所示的总体设计技术流程 图,首先根据电解加工成形规律确定目标 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 和设 计参数阴极工作齿宽度 B k, 工作齿长度 L k, 阴极齿 半锥角 �,以及切进角 �1和 �2 (本文两者取相同值, 即后面的 �) ,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。根据数学模型和几 何参数在 Pro/ E 中建立阴极工作齿的实体模型导 入 VERICU T 中,在该软件中建立机床, 炮管毛坯, 夹具等模型, 设置数控仿真系统和编写数控程 序[ 3, 4] , 点击“开始仿真”按钮进行加工仿真, 得到加 工模型,将其与 UG 中建立的理论设计模型进行分 析比较,若不在误差范围内,就必须不断“修正”阴极 工作齿模型, 直至符合要求。 2　数学模型 针对阴极工作齿设计要考虑的主要参数:膛线 宽 B , 深 H , 阴极工作齿大头宽 B k, 小头宽 bk, 工作 齿齿长 L k,侧向加工间隙 c,线深方向间隙 0, 渐速 段起始缠角 x 00, 最终缠角 x 0 以及缠角变化率 !。加 工对象的弹道方程 y= x 2 p ,其中 x 为炮管轴向坐标, y 为径向坐标。通过求导得 y′= 2x p ,即为缠角的变 化率 y′= tan!,其中 !为 v x, v y 切线间的夹角 tan!= 图 2　阴极工 作齿示 意图 v y v x ,图 2为阴极工作齿示意图。其中 ∀为工作齿半面角, �为工作齿半锥 角, x 是 t 时刻走过的阴极齿长, B X 为 t时刻对应的阴极齿宽度, v x 为阴 极体在炮管轴向的速度, v y 为径向 的速度,图 2为阴极工作齿示意图。 渐速膛线的缠角 !是变化的,当 阴极按弹道方程运动时,与阴极体刚 性连接的工作齿不能改变角度。当工 作齿的角度按最终角设计时, 加工中对起始段必然 造成槽型加宽, 暂且称之为“干涉”, 缩短工作齿长 度,可以减小干涉,但势必降低效率。为此, 建模中要 考虑: � 为了减少干涉,使工作齿前端切进,减小 bk : 在膛线起始段被加宽的量(含蚀除) B= B x- B= L ktan!- B ,暂且忽略加工间隙,得 Bk= L ktan( x 0 + �) + L ktan( x 0- �) + bk ( 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是阴极工作齿全长段 蚀除的积分: V =∫Lk0 sdx =∫L k0 [ x tan( x 0- �) + x tan( x 0+ �) + bk] x tan∀dx ,得 V = tan∀[ L 3ktan( x 0+ �) + L 3k tan( x 0- �) 3 + bkL 2 k 2 ] ( 2) � 从提高生产效率的角度出发, 建立 L k、�与 电流 I 的关系: 当阴极上的电流密度一定时, L k 越长, I 就越大 由 I = i B k+ bk2 Lk ,得 I= iL kbk+ i 2 L 2 k [ tan( x 00+ �) + tan( x 0- �) ] ( 3) 因此, 所研究的问题可以归结为: Lk , �为何值 时, 同时保证 V 尽可能大, B 尽可能小, 即当dI dx = 0, d B dx = 0,求 L k, �的最佳值。 3　VERICU T 数控加工建模 3. 1　阴极工作齿建模 � 在Pro/ E中对阴极工作齿建模。 根据上述分析, 设阴极工作齿参数如下: 膛线宽 B , 深 H , 阴极工作齿大头宽 B k, 小头宽 bk, 工作齿 齿长 L k, 利用 Pro / E 软件, 采用拉伸和旋转混合拉 伸命令,进行阴极工作齿的三维建模,将工作齿安装 到阴极体上如图 3所示。 图 3　工作齿齿型模型 � 在V ERICU T 中,将阴极工作齿借用铣刀的 文件窗口建模。在 Tool M anager 窗口下点击 M ill, 添加新的铣刀, 再点击 Cut ter ,进行刀头和刀柄的描 述。 3. 2　炮管膛线理论设计模型 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 置成透明的,下页图 4为炮管膛线理论模型。 4　VERICU T 数控加工 4. 1　编数控加工程序 根据弹道方程绘制的混合膛线展开图,下页图 5包括3段不同的缠角组成的混合膛线展开示意 ·66· 　　(总第 35- 412) 火力与指挥控制 2010年　第 3期 图 4　炮管膛线理论设计模型 图 5　混合膛线展开图 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。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。这种拟合的方法就是“插补”( Interpolat ion) [ 6] , 由于 x , y 方向上变化很小, 只要保证 Z= 50, 就能 满足要求,图 6为数控编程代码。 图 6　CNC G-代码 4. 2　分析 Setup→Tool path, 在 T ool path Type 下拉列 表中选择 G-Code Date,点击按钮 Add, 选择相应的 路径和刀具文件, 点击 Open。模型建立完后,就可以 点击—� 进行炮管膛线的加工仿真。图 7为炮管膛线 加工完,将炮管剖开所截得部分膛线视图。 图 7　加工模型 5　试验验证 根据上述设计模型的参数, 设计制造的阴极如 图 8所示,在卧式电解加工机床上加工出炮管膛线, 分别截取直线段、减速段、等齐段切片如图 9所示。 经过测量,经过数次反复修正阴极工作齿,等齐段炮 管膛线的阴线和阳线尺寸符合要求。跟以往没采用 计算机辅助设计的方法来设计阴极减少了阴极齿的 修正次数。 图 8　电解加工阴极 图 9　炮管切片 6　结　论 � 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 线阴极工作齿对膛线侧壁的干涉影响规律,建立了 数学模型。 � 采用 VERICUT 软件设计机床和毛坯模型 比较形象, 用该软件仿真阴极工作齿对膛线侧壁的 干涉比较直观。 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。 参考文献: [ 1] 范植坚, 王天诚. 电解加工技术及其研究方法[ M ] . 北京:国防工业出版社, 2004. 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