Pro/E行為建模技術(shù)在拉削式絲錐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李云,趙敬云

河南工學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)中心

1 引言

CAD三維軟件大多基于特征技術(shù)建立模型,除了公共交換模式STL、STP之外,三維造型的每個(gè)步驟均為基本特征的積累過(guò)程,在特征樹內(nèi)部體現(xiàn)最為明顯。造型是將復(fù)雜的造型分解成基本特征的積分過(guò)程?？梢允褂煤?jiǎn)單的參數(shù)控制每個(gè)基本特征形狀,參數(shù)的準(zhǔn)確與否決定了三維設(shè)計(jì)是否成功。這種設(shè)計(jì)方法非常適合于組合體建模,各特征之間的參數(shù)沒(méi)有直接聯(lián)系,可以獨(dú)立完成每個(gè)特征。

在設(shè)計(jì)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的傳統(tǒng)建模過(guò)程中,采用逼近法不斷修改設(shè)計(jì)參數(shù),基本過(guò)程為:根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用某個(gè)尺寸構(gòu)建模型,根據(jù)得到的結(jié)果與目標(biāo)比較來(lái)調(diào)整高度。這樣調(diào)整的幅度越來(lái)越小,結(jié)果也越來(lái)越逼近,直到逼近的結(jié)果和目標(biāo)的小偏差在允許范圍內(nèi),這種設(shè)計(jì)方法也稱為迭代法。顯然,迭代法是不斷地進(jìn)行重復(fù)性勞動(dòng),通過(guò)判斷逐漸逼近設(shè)計(jì)目標(biāo)所需時(shí)間很長(zhǎng),當(dāng)目標(biāo)變化時(shí),這種重復(fù)性勞動(dòng)還會(huì)繼續(xù),對(duì)設(shè)計(jì)效率影響較大。

行為建模和傳統(tǒng)的參數(shù)化建模區(qū)別:傳統(tǒng)的建模是運(yùn)用參數(shù)變量來(lái)驅(qū)動(dòng)目標(biāo),要達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)要求,就需不斷地嘗試修改參數(shù)變量以逼近最佳的設(shè)計(jì)目標(biāo)[1];行為建模是目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)變量來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,將嘗試工作交給設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成,設(shè)計(jì)人員僅需給出設(shè)計(jì)目標(biāo)和參數(shù)變量的范圍即可。

行為建模采用計(jì)算機(jī)代替重復(fù)的勞動(dòng),使用時(shí)僅需要輸入設(shè)計(jì)目標(biāo)和允許變化的參數(shù)和其變化的范圍,軟件便可以根據(jù)條件進(jìn)行自動(dòng)求解,并把求解信息反饋回給用戶,這就是行為建模(BMX)的基本過(guò)程[2]。

2 利用Pro/E對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行行為建模

Pro/E行為建模設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)步驟:

①建立包含設(shè)計(jì)目標(biāo)的參數(shù)化特征,根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)部件三維造型,建立參數(shù)化模型,包括設(shè)計(jì)目標(biāo)的基本屬性以及反映模型數(shù)值的參數(shù)分析特征結(jié)果。

②進(jìn)行敏感度分析,確定目標(biāo)值的可行域。敏感度分析就是確定目標(biāo)值的可行域,利用目標(biāo)函數(shù)的極值計(jì)算將變量縮小到一個(gè)合適的取值范圍內(nèi),軟件計(jì)算過(guò)程是連續(xù)非離散型,所以變量范圍越大,計(jì)算時(shí)間就越長(zhǎng),甚至無(wú)法得到所指定的目標(biāo)值,可見確定變量的可行域在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)相當(dāng)重要。

③進(jìn)行可行性/優(yōu)化分析,得到設(shè)計(jì)目標(biāo)?？尚行允侵高_(dá)到目標(biāo)值時(shí),變量在指定范圍內(nèi)有一個(gè)局部最優(yōu)解,局部最優(yōu)解對(duì)解決當(dāng)前設(shè)計(jì)方案可行,可能不是最佳的;優(yōu)化分析則是搜尋到解決方案時(shí),計(jì)算機(jī)還會(huì)繼續(xù)搜尋可以滿足解決方案的更多值,以求得滿足解決方案的最佳解,而且最佳解在指定的可行域范圍內(nèi)。

3 行為建模在拉削式絲錐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

行為建模根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象迭代計(jì)算,優(yōu)化設(shè)計(jì)變量從而快速求解,在解決體積、質(zhì)量計(jì)算方面具有一定優(yōu)勢(shì)。以拉削式絲錐設(shè)計(jì)過(guò)程為例,說(shuō)明行為建模技術(shù)在解決質(zhì)量問(wèn)題的應(yīng)用。

已知滾珠絲杠螺紋32×10(左),螺紋長(zhǎng)度60mm,材料20CrMnTi,應(yīng)用設(shè)備為數(shù)控車床,柄部結(jié)構(gòu)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)滾珠螺母拉削絲錐。

3.1 選擇拉削式絲錐切削參數(shù)

前角γ:前角的大小決定切屑變形程度。通常前角大切削刃鋒利,被加工表面粗糙度低,切削力較小切削輕快,切削刃磨損較快,耐用度低,一般加工軟材料時(shí)前角取值較大,也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

切削錐后角α0:一般用鏟磨量k來(lái)表示,且后角的大小對(duì)工件與刀具后面發(fā)生摩擦影響很大。后角越大,摩擦越小,但刃口強(qiáng)度減弱。

(1)

式中,k為鏟磨量;d為校準(zhǔn)部分直徑;z為槽數(shù)。

選取合適的容屑槽數(shù)、槽型、槽底直徑和刃背寬度是保證絲錐工作時(shí)排屑流暢、切屑不堵塞、切削輕快導(dǎo)向性好,且中途退出時(shí)不產(chǎn)生反切又有足夠強(qiáng)度的必要條件[3]。

常用槽型見圖1,有足夠的容屑空間以及槽中曲線圓滑連接排屑流暢。槽底直徑(芯部直徑)不能過(guò)小,否則會(huì)影響絲錐強(qiáng)度;而槽底直徑過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致容屑空間減少。刃背寬度過(guò)窄會(huì)影響絲錐的強(qiáng)度工時(shí)的穩(wěn)定性及減少重磨次數(shù),過(guò)寬則減少了容屑空間增加絲錐與螺孔壁間的摩擦力,使扭矩增大。滾珠螺紋拉削絲錐的二維設(shè)計(jì)見圖2。

圖1 拉削式絲錐剖面

圖2 滾珠螺紋拉削絲錐設(shè)計(jì)

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足設(shè)計(jì)要求以及拉削絲錐產(chǎn)品成型工藝要求的前提下,節(jié)材設(shè)計(jì)初定絲錐的重量控制為2.3kg。

3.2.1 定義材料屬性

定義材料屬性,根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用產(chǎn)品材料為20CrMnTi滲碳鋼,含碳量為0.17%～0.24%的低碳鋼,CrMnTi是中淬透性滲碳鋼,淬透性較高,在保證淬透情況下,具有較高的低溫沖擊韌性、良好的加工性、加工變形微小以及優(yōu)異的抗疲勞性能。材料的密度為7.8kg/m3。

3.2.2 按照外形要求設(shè)計(jì)拉削絲錐

拉削絲錐根據(jù)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能分解,拉削絲錐柄部與導(dǎo)向部緊密相連,與設(shè)備或夾具聯(lián)接,傳遞扭矩和軸向力,在使用過(guò)程中切削平穩(wěn)。柄部屬于基本特征,可直接采用拉伸和旋轉(zhuǎn)造型得到。

拉削絲錐工作部分(刃部)由切削錐及校準(zhǔn)部分組成,多條容屑槽形成較多的切削齒,螺旋形容屑槽使切削平穩(wěn)且排屑流暢。采用螺旋掃描基本造型,全部按照校準(zhǔn)錐的牙型得到校準(zhǔn)錐形狀,根據(jù)切削余量采用螺旋掃描的切除方式切除絲錐余量。

容屑槽特征:建立一條螺旋線,螺旋角是絲錐的傾斜角,螺紋基準(zhǔn)為容屑槽底徑,利用掃描混合命令的切除選項(xiàng)建立一條容屑槽,使用陣列命令得到全部容屑槽。根據(jù)絲錐的強(qiáng)度處理等主要工藝參數(shù)確定其他結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)完成后的絲錐如圖3所示,查詢刀具的質(zhì)量屬性,當(dāng)前容屑槽夾角為46°,當(dāng)前設(shè)計(jì)的質(zhì)量為2.86kg。如圖4所示,當(dāng)前設(shè)計(jì)結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求,外觀尺寸也不能隨意變動(dòng),需要更改部分變量并修改設(shè)計(jì)。

圖3 滾珠螺紋拉削絲錐設(shè)計(jì)

圖4 拉削絲錐的質(zhì)量屬性

3.2.3 分析刀具敏感度

通過(guò)敏感度分析可以得到目標(biāo)值和設(shè)計(jì)變量的關(guān)系以及滿足目標(biāo)值時(shí)變量可取的范圍。

與刀具重量相關(guān)的主要參數(shù)有Volume:mass_prop_1(重量),Surf_area:mass_prop_1(表面積),Mass:mass_prop_1,ANGLE(容屑槽角度),PROJ_ANGLE(容屑槽法向角度)。通過(guò)敏感度分析得到質(zhì)量與容屑槽角度的關(guān)系見圖5。

圖5 容屑槽與質(zhì)量的關(guān)系曲線

為了更好地分析質(zhì)量特性,將曲線中的參數(shù)導(dǎo)出Excel關(guān)系表格,便于定性分析設(shè)計(jì)參數(shù),如圖6所示。通過(guò)敏感度分析可以看出,目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的變量范圍為2.6～2.7,該范圍為求得變量的優(yōu)化可行域。

圖6 質(zhì)量敏感度曲線

3.2.4 刀具設(shè)計(jì)變量的可行性分析

通過(guò)敏感性分析設(shè)計(jì)約束后確定變量的可行域,輸入變量的取值范圍,將設(shè)計(jì)約束設(shè)定為拉削絲錐重量2.3kg。通過(guò)軟件進(jìn)行可行性分析,分析變量值為47.3mm,即當(dāng)容屑槽夾角為47.3°時(shí),拉削絲錐的重量為2.3kg。

3.2.5 添加約束條件

在實(shí)際生產(chǎn)中,受拉削絲錐容削槽螺旋角及絲錐前角的影響,在加工容屑槽時(shí)不能同時(shí)兼顧槽底直徑與刃背寬。因此可以把槽底直徑作為參考尺寸,添加一個(gè)優(yōu)化目標(biāo),在質(zhì)量為2.6kg時(shí)槽底直徑最大,所得結(jié)果為不定數(shù)值,是一組可選變量,然后再添加其它設(shè)計(jì)變量,優(yōu)化分析得出解。

將絲錐的槽底直徑添加為設(shè)計(jì)變量,在質(zhì)量為2.6kg時(shí),以槽底直徑作為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)計(jì)算獲得最佳直徑值的可行域,直徑斜度的可選范圍為15～19,此設(shè)計(jì)的變量范圍滿足目標(biāo)值,有可行解且為最優(yōu)解。

通過(guò)優(yōu)化的收斂圖了解計(jì)算的迭代過(guò)程,在滿足設(shè)計(jì)要求和強(qiáng)度要求的前提下確定當(dāng)容屑槽夾角為46°時(shí)拉削絲錐的重量為2.6kg,如圖7所示。

圖7 槽底直徑影響參數(shù)

3.2.6 優(yōu)化求解

通過(guò)可行性分析得出滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量的最佳容屑槽尺寸,如果僅考慮質(zhì)量單一約束目標(biāo),找到設(shè)計(jì)最優(yōu)解后,設(shè)計(jì)分析結(jié)束。但是綜合設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮零件的強(qiáng)度、零件結(jié)構(gòu)形式以及前角后角的設(shè)置。

4 結(jié)語(yǔ)

Pro/E作為常用的三維設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)人員更關(guān)注基本造型功能,其大量的分析功能(包括行為建模等參數(shù)化功能)容易被忽略,可以利用其來(lái)提高設(shè)計(jì)效率。

行為建模的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在:可以將設(shè)計(jì)意圖定義到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,在特征樹中添加參數(shù)可以得到一個(gè)智能化的數(shù)字模型,改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)可以直接得到全新的設(shè)計(jì)。利用行為特性以及敏感性分析確定設(shè)計(jì)模型后,設(shè)計(jì)規(guī)范自動(dòng)約束設(shè)計(jì)結(jié)果,設(shè)計(jì)結(jié)果即為可行結(jié)果。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)。