Pro/E行為建模技術在拉削式絲錐設計中的應用

李云,趙敬云

河南工學院工業設計中心

1 引言

CAD三維軟件大多基于特征技術建立模型,除了公共交換模式STL、STP之外,三維造型的每個步驟均為基本特征的積累過程,在特征樹內部體現最為明顯。造型是將復雜的造型分解成基本特征的積分過程?？梢允褂煤唵蔚膮悼刂泼總€基本特征形狀,參數的準確與否決定了三維設計是否成功。這種設計方法非常適合于組合體建模,各特征之間的參數沒有直接聯系,可以獨立完成每個特征。

在設計目標驅動參數的傳統建模過程中,采用逼近法不斷修改設計參數,基本過程為:根據設計要求采用某個尺寸構建模型,根據得到的結果與目標比較來調整高度。這樣調整的幅度越來越小,結果也越來越逼近,直到逼近的結果和目標的小偏差在允許范圍內,這種設計方法也稱為迭代法。顯然,迭代法是不斷地進行重復性勞動,通過判斷逐漸逼近設計目標所需時間很長,當目標變化時,這種重復性勞動還會繼續,對設計效率影響較大。

行為建模和傳統的參數化建模區別:傳統的建模是運用參數變量來驅動目標,要達到最佳的設計要求,就需不斷地嘗試修改參數變量以逼近最佳的設計目標[1];行為建模是目標驅動設計變量來達到設計要求,將嘗試工作交給設計軟件來完成,設計人員僅需給出設計目標和參數變量的范圍即可。

行為建模采用計算機代替重復的勞動,使用時僅需要輸入設計目標和允許變化的參數和其變化的范圍,軟件便可以根據條件進行自動求解,并把求解信息反饋回給用戶,這就是行為建模(BMX)的基本過程[2]。

2 利用Pro/E對產品進行行為建模

Pro/E行為建模設計一般分為三個步驟:

①建立包含設計目標的參數化特征,根據設計目標對設計部件三維造型,建立參數化模型,包括設計目標的基本屬性以及反映模型數值的參數分析特征結果。

②進行敏感度分析,確定目標值的可行域。敏感度分析就是確定目標值的可行域,利用目標函數的極值計算將變量縮小到一個合適的取值范圍內,軟件計算過程是連續非離散型,所以變量范圍越大,計算時間就越長,甚至無法得到所指定的目標值,可見確定變量的可行域在進行優化分析時相當重要。

③進行可行性/優化分析,得到設計目標?？尚行允侵高_到目標值時,變量在指定范圍內有一個局部最優解,局部最優解對解決當前設計方案可行,可能不是最佳的;優化分析則是搜尋到解決方案時,計算機還會繼續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。

3 行為建模在拉削式絲錐設計中的應用

行為建模根據設計對象迭代計算,優化設計變量從而快速求解,在解決體積、質量計算方面具有一定優勢。以拉削式絲錐設計過程為例,說明行為建模技術在解決質量問題的應用。

已知滾珠絲杠螺紋32×10(左),螺紋長度60mm,材料20CrMnTi,應用設備為數控車床,柄部結構按標準設計滾珠螺母拉削絲錐。

3.1 選擇拉削式絲錐切削參數

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,一般加工軟材料時前角取值較大,也可通過實驗來確定。

切削錐后角α0:一般用鏟磨量k來表示,且后角的大小對工件與刀具后面發生摩擦影響很大。后角越大,摩擦越小,但刃口強度減弱。

(1)

式中,k為鏟磨量;d為校準部分直徑;z為槽數。

選取合適的容屑槽數、槽型、槽底直徑和刃背寬度是保證絲錐工作時排屑流暢、切屑不堵塞、切削輕快導向性好,且中途退出時不產生反切又有足夠強度的必要條件[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)不能過小,否則會影響絲錐強度;而槽底直徑過大則會導致容屑空間減少。刃背寬度過窄會影響絲錐的強度工時的穩定性及減少重磨次數,過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計見圖2。

圖1 拉削式絲錐剖面

圖2 滾珠螺紋拉削絲錐設計

3.2 設計目標

設計目標是在滿足設計要求以及拉削絲錐產品成型工藝要求的前提下,節材設計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,根據設計要求選用產品材料為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 按照外形要求設計拉削絲錐

拉削絲錐根據要求進行結構和功能分解,拉削絲錐柄部與導向部緊密相連,與設備或夾具聯接,傳遞扭矩和軸向力,在使用過程中切削平穩。柄部屬于基本特征,可直接采用拉伸和旋轉造型得到。

拉削絲錐工作部分(刃部)由切削錐及校準部分組成,多條容屑槽形成較多的切削齒,螺旋形容屑槽使切削平穩且排屑流暢。采用螺旋掃描基本造型,全部按照校準錐的牙型得到校準錐形狀,根據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,螺紋基準為容屑槽底徑,利用掃描混合命令的切除選項建立一條容屑槽,使用陣列命令得到全部容屑槽。根據絲錐的強度處理等主要工藝參數確定其他結構。

設計完成后的絲錐如圖3所示,查詢刀具的質量屬性,當前容屑槽夾角為46°,當前設計的質量為2.86kg。如圖4所示,當前設計結果不能滿足設計要求,外觀尺寸也不能隨意變動,需要更改部分變量并修改設計。

圖3 滾珠螺紋拉削絲錐設計

圖4 拉削絲錐的質量屬性

3.2.3 分析刀具敏感度

通過敏感度分析可以得到目標值和設計變量的關系以及滿足目標值時變量可取的范圍。

與刀具重量相關的主要參數有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)。通過敏感度分析得到質量與容屑槽角度的關系見圖5。

圖5 容屑槽與質量的關系曲線

為了更好地分析質量特性,將曲線中的參數導出Excel關系表格,便于定性分析設計參數,如圖6所示。通過敏感度分析可以看出,目標值對應的變量范圍為2.6～2.7,該范圍為求得變量的優化可行域。

圖6 質量敏感度曲線

3.2.4 刀具設計變量的可行性分析

通過敏感性分析設計約束后確定變量的可行域,輸入變量的取值范圍,將設計約束設定為拉削絲錐重量2.3kg。通過軟件進行可行性分析,分析變量值為47.3mm,即當容屑槽夾角為47.3°時,拉削絲錐的重量為2.3kg。

3.2.5 添加約束條件

在實際生產中,受拉削絲錐容削槽螺旋角及絲錐前角的影響,在加工容屑槽時不能同時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,添加一個優化目標,在質量為2.6kg時槽底直徑最大,所得結果為不定數值,是一組可選變量,然后再添加其它設計變量,優化分析得出解。

將絲錐的槽底直徑添加為設計變量,在質量為2.6kg時,以槽底直徑作為優化目標,通過計算獲得最佳直徑值的可行域,直徑斜度的可選范圍為15～19,此設計的變量范圍滿足目標值,有可行解且為最優解。

通過優化的收斂圖了解計算的迭代過程,在滿足設計要求和強度要求的前提下確定當容屑槽夾角為46°時拉削絲錐的重量為2.6kg,如圖7所示。

圖7 槽底直徑影響參數

3.2.6 優化求解

通過可行性分析得出滿足設計質量的最佳容屑槽尺寸,如果僅考慮質量單一約束目標,找到設計最優解后,設計分析結束。但是綜合設計時還需考慮零件的強度、零件結構形式以及前角后角的設置。

4 結語

Pro/E作為常用的三維設計軟件,設計人員更關注基本造型功能,其大量的分析功能(包括行為建模等參數化功能)容易被忽略,可以利用其來提高設計效率。

行為建模的優越性主要體現在:可以將設計意圖定義到產品設計過程中,在特征樹中添加參數可以得到一個智能化的數字模型,改變設計參數可以直接得到全新的設計。利用行為特性以及敏感性分析確定設計模型后,設計規范自動約束設計結果,設計結果即為可行結果。在滿足設計要求的前提下,可以進行結構和性能設計。