CN111090930B - 基于Solidworks的剐削切屑几何模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了剐齿加工领域的基于Solidworks的剐削切屑几何模型构建方法，以实现提高齿轮与齿形的精度实现高度仿真的效果，本技术方案主要是利用仿真系统创建工件几何实体，并构建剐齿刀的切削刃模型，依据剐齿刀和工件之间的运动关系与位置关系，将构建工件坐标系下剐齿刀刀齿上的切削刃相对于工件所形成的刃扫面模型，随后将工件毛坯与刃扫面相结合，刃扫面与瞬时齿槽几何实体之间的布尔运算形成未变形切屑以及新的瞬时齿槽，仿真结束后将输出剐齿刀某个刀齿在剐削过程中去除的未变形三维切屑几何模型。
Description
技术领域
本发明属于剐齿加工领域，具体是基于Solidworks的剐削切屑几何模型构建方法。
背景技术
剐齿技术(国外称Scudding或Power Skiving，国内有部分学者称之为车齿技术)是21世纪才真正实现了的齿轮加工新技术，不仅能够解决汽车自动变速器薄壁、非贯通内斜齿齿套等特殊结构齿轮的加工难题，而且具有高效率、高精度、干式切削等优势。
(以下部分是国外的研究情况)
进入21世纪以来，德国Wera公司对Scudding技术的研究一直没有中断，2006年推出花键滚插机床，2009年中标国内自动变速器零件配套企业，加工自动变速箱齿套零件。该公司采用机床与刀具交钥匙工程的方式，对刀具技术严格保密。从机床实际使用情况看，该技术尚未达到预期效果，刀具需要根据用户提供的工件进行反复的试切、调整才能达到加工要求，加工精度未达预期。据此可以判断，Wera公司在刀具设计方面尚未形成成熟的理论体系。
2013年，第十三届中国国际机床展期间，Gleason公司展出了通过Power Skiving技术加工获得的工件和模拟加工视频，无刀具和机床实物展出。2015年，第十四届中国国际机床展期间，Gleason公司展出了Power Skiving刀具，从现场刀具设计示意来看，该刀具仍采用了插齿刀的设计理论体系。2017年，第十五届中国国际机床展期间，Gleason公司展出了Power Skiving机床和多型刀具。从展会现场以及文献来看，Gleason公司已开发出渐开线直齿和斜齿两类刀具，但直齿刀具加工时存在干涉，同时可刃磨范围较小；斜齿刀具两侧齿面加工质量不一致。
2017年，第十五届中国国际机床展期间，来自瑞典的金属切削刀具提供商Sandvik公司展出了Power Skiving刀具实物和一体化软件系统。从现场展示来看，该刀具仍采用传统的齿轮刀具设计方法，但推出的集切削仿真、刀具设计和工艺参数优化为一体的软件系统具有较强竞争力，但目前没有工程应用案例，距离实际应用还有相当的距离。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提高齿轮与齿形的精度实现高度仿真。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于Solidworks的剐削切屑几何模型构建方法，利用仿真系统创建工件几何实体，并构建剐齿刀的切削刃模型，依据剐齿刀和工件之间的运动关系与位置关系，将构建工件坐标系下剐齿刀刀齿上的切削刃相对于工件所形成的刃扫面模型，随后将工件毛坯与刃扫面相结合，刃扫面与瞬时齿槽几何实体之间的布尔运算形成未变形切屑以及新的瞬时齿槽，仿真结束后将输出剐齿刀某个刀齿在剐削过程中去除的未变形三维切屑几何模型。
技术原理：本技术方案的技术依据在于未变形切屑的基本形体在一定程度上决定了切屑基本形状和排屑情况，并影响整个剐齿加工过程和加工质量。随后本技术利用仿真形成的未变形三维切屑，将为剐齿加工的动态切削力、剐齿刀的磨损等切削加工机理的研究奠定基础。
采用上述方案后实现了以下有益效果：1、相对于外国学者Antoniadis等使用三维有限元软件Abaqus建立强力剐齿模型的现有技术，本技术方案不仅仅重现了切屑流的方向，而且通过瞬时齿槽的精度提高了齿轮与齿形的精度。
2、相对于国内刘冰等人基于齿轮啮合原理建立了齿轮刀具几何模型，通过DEFORM-3D软件得到初步的仿真数据，本技术方案中结合剐齿刀和工件之间的运动关系和位置关系，实现了代入参数后的高度仿真，从齿轮加工的探索阶段到具现阶段。
3、相对于杨唐军等人基于Vericut仿真软件对等前角剐齿刀的切削过程进行几何仿真，本技术方案中通过剐齿刀刀齿上的切削刃相对于工件所形成的刃扫面模型，仿真结果贴合实际。
进一步，包括以下步骤；
S1,参数的输入，分别建立工件坐标系、工件辅助坐标系、刀具坐标系和刀具辅助坐标系，在工件坐标系的基础上建立工件齿面模型，同时带入矢量坐标限定中心距、轴交角和初始旋转角度；
S2,切削刃模型建立，将工件理论齿面的共轭面作为参照面，随后采用平面或其他规则曲面与共轭面求交集而获得交线，以此交线作为剐齿刀的切削刃；
S3，刃扫面模型，转换切削刃和工件坐标系，带入时间参数将刃扫面模型分为部分切入状态、完全切入状态和切出状态以形成连续不断的曲面；
S4，瞬时齿槽生成，将刃扫面与瞬时齿槽几何实体进行布尔运算；
S5，输出，对三维未变形切屑和瞬时齿槽进行生成。
有益效果：1、提出了一种基于实体造型的三维仿真方法，不仅可以得到与真实剐齿加工相似度较高的瞬时齿槽，还能获得接近真实剐齿加工的未变形三维切屑，为剐齿加工切削机理研究奠定基础。
2、相对于其他建模的技术方案而言(参考背景技术和权利要求1的有益效果)，本技术方案关于建模的精度提升处在于，工件辅助坐标系(下文的SP)与刀具的辅助坐标系(下文的S0)之间的空间位置固定，不随时间发生变化，这两个坐标系相互作为静态参照物，提升了对运动状态下的工件和刀具的相对位置处理的准确性。
3、相对于带有静态参照坐标系的现有技术，本技术方案中引入中心距、轴交角和初始旋转角作为参数，对刀具或工件的运动轨迹进行限定和参数表达，将模糊的轨迹具体化，提升了生成图像的准确性和生成图像的清晰度。
进一步，所述S1中，坐标系的建立方法如下，工件坐标系为S1(o1,x1,y1,z1)，其中o1表示S1坐标系的坐标原点，x1轴、y1轴、z1轴的单位矢量分别为i1,j1,k1；Sp(op,xp,yp,zp)是S1(o1,x1,y1,z1)的辅助坐标系，其中op表示Sp坐标系的坐标原点，xp轴、yp轴、zp轴的单位矢量分别为ip,jp,kp；
刀具坐标系为S2(o2,x2,y2,z2)，其中o2表示S2坐标系的坐标原点，x2轴、y2轴、z2轴的单位矢量分别为i2,j2,k2；；S0(o,x,y,z)是S2(o2,x2,y2,z2)的辅助坐标系，o表示S0坐标系的坐标原点，x轴、y轴、z轴的单位矢量分别为i,j,k；
随后工件齿面模型以坐标系S1(o1,x1,y1,z1)建立，刀具模型以坐标系S2(o2,x2,y2,z2)建立，坐标系Sp和坐标系S0的空间位置固定；
最后参照坐标系建立以下参数：①中心距a是刀具轴线与工件轴线之间的垂直距离；②轴交角γ是刀具轴线和工件轴线之间的夹角；③φ1是工件坐标系S1随着工件相对于初始位置旋转的角度；④l是指工件坐标系S1相对于辅助坐标Sp沿着工件轴向zp轴正方向移动的距离，⑤φ2是指刀具坐标系S2随着刀具相对于初始位置旋转的角度。
进一步，对于剐齿的矩阵变化情况为:T＝T20·Top·Tp1
式中，T20指从刀具坐标系S2到辅助坐标系S0的变换矩阵，Top指从辅助坐标系S0到辅助坐标系Sp的变换矩阵，Tp1指从辅助坐标系Sp到工件坐标系S1的变换矩阵。
进一步，在步骤S3中，根据共轭原理构建剐齿加工的轨迹构建刃扫面，构建方法如下包括a)或b)；
a)将刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)的刃切削刃转换到工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)或
b)将工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的工件齿面转换到刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)。
进一步，在b)中带入时间参数t，D1表示t1时刻对应的切削刃，Di表示[t1,t2]内的某时刻ti对应的切削刃，Dn表示t2时刻对应的切削刃，其中参考空间运动学原理，刃扫面的轨迹如下
式中，rj表示第j个刃扫面上的点在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的矢量；rr表示切削刃上的点在刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)的矢量；j表示在刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)，第j个刃扫面上的切削刃上的点与刀轴之间的距离；T表示从刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)到工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的总变换矩阵，令：
rr(r)＝[x2 y2 z2 1]'
联立公式(可得刃扫面的参数方程为：
式中，
有益效果：1、本技术方案基于共轭原理(共轭原理的名词解释：剐齿加工时，刀具和工件以一定的转速比进行旋转运动，最终形成的工件齿面是通过满足线面共轭条件的切削刃在连续的扫掠过程中不断去除多余材料形成的，以上即为共轭原理。)，因此相对于其他采用共轭原理的技术方案，本技术方案优点在于对于共轭原理进一步推导，形成共轭旋切原理，即当剐齿加工时只要切削刃与工件的理论齿面满足共轭关系，那么工件的共轭面的所有曲线都与工件齿面满足共轭关系，同理可得只要满足共轭关系的曲线都可作为这一工件齿面的切削刃。因此，只要求得工件理论齿面的共轭面，进而只要求得平面或其他规则曲面与共轭面的交线，此交线可作为剐齿刀的切削刃。
2、相对于采用其他推导原理的技术方案，本技术方案中属于开创性发明，技术中利用共轭旋切原理模拟剐齿时矩阵变化，生成切削刃的形状和运动轨迹。
3、相对于采用自动仿真的现有技术，本技术方案中利用矩阵变化，囊括了剐齿刀的切削刃在工件上多次刮削的轨迹(相对位置关系)，便于后续刃扫面和瞬时齿槽输出提供理论基础以及参考轨迹。
进一步，在步骤S4中生成瞬时齿槽的方法如下；
i)指定一个时间段[t1,t2],t1表示刃扫面的起始时刻，t2表示刃扫面的结束时刻，分界线对应的时刻为扫入阶段对应的时刻为/>扫出阶段对应的时刻为
ii)S2(o2,x2,y2,z2)和工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)，假设工件的齿槽Ei在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)最终形成的齿面为F(x,y,z)＝0。形成齿槽Ei最终齿面需要进行最后一次中心距为an、加工余量为δn的剐削加工，假设最后一次剐削加工对应的齿面在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)为G(x,y,z)＝0。
有益效果：首先，相对于目前现有技术的空白，本技术方案第一次开创性提出瞬时齿槽的提取和生成方案，此方案基于在前的从属权利要求(构建辅助坐标以保障静态参考面不变，同时利用共轭旋切原理生成运动变化矩阵，剖析出刀具与工件的运动关系和运动轨迹，随后以旋转角和夹角等参数约束轨迹的变化情况)。
其次，本技术方案中代入时间关系，将剐齿刀分为剐齿时的刚切入状态、完全切入状态和切出状态，利用不同时态的中心距和加工余量，模拟出切除的切削大小和厚度，同时将切屑消除后工件的投影进行反馈，进行瞬时齿槽的生成。
进一步，对于切屑的生成遵循以下规律，代入时间段，随后以扫入阶段对应时刻的轨迹为主，代入齿槽参数和刀具参数结合布尔运算，得出未优化切屑形状。
有益效果，本技术方案利用时间段和布尔运算结合，便于生成各种阶段不同的切屑，对剐齿研究不同阶段提供模型基础。
进一步，对于切屑的优化参照以下方法；
对于沿齿宽方向切屑长度的限定参照如下；
对于切屑厚度的限定参照如下；
其中，t1是指第j+1个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t2是指第j个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t3是指第j个刃扫面与最终形成的齿面F(x,y,z)＝0刚接触的时刻；
对于切屑体积的限定参照如下；
式中，D＝{(t，h)|0≤t≤t4,0＜h≤h(t)}，v1为工件的进给速度，s(t,h)为完全切削阶段未变形的三维切屑在宽度方向上的厚度，h(t)为未变形的三维切屑的宽度。
有益效果：1、相对于现有技术中切屑的生成方法(如哈尔滨理工大学李振加等人在VisualC++6.0开发平台，利用OpenGL图形语言构建了切屑折断预测系统)，本技术方案中不仅仅对切屑进行预测和折断，还对切屑进行提取，提取时通过限定切屑的厚度与宽度(长度由本技术方案中代入的时间参数决定)，便于切屑的提取。
2、相对于Dimitriou等人利用剐齿加工仿真系统实现了对未变形切屑的提取，本技术方案通过宽度和厚度反向限制剐齿切削力的大小，减少了仿真系统中切削力的误差。
进一步，根据空间几何关系，完全切削阶段的未变形三维切屑是由最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得的空间几何体，即
用Q(x,y,z)＝0表示最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得完全切削阶段的未变形三维切屑。
有益效果：本技术方案实现了对三维切屑的输出，同时对切屑的形状进行参数限定，提高了拟真程度。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为剐齿加工坐标系；
图3为MATLAB的切削刃仿真效果图；
图4为切削刃在工件坐标系S1中形成的刃扫面；
图5为三维刃扫面仿真效果图；
图6为圆弧齿剐齿刀的刃扫面族示意图；
图7为刃扫面的阶段划分示意图；
图8为剐齿加工的三个切削阶段示意图；
图9为未变形的三维切屑仿真示意图；
图10为完全切削阶段的三维未变形切屑；
图11为显微镜原图；
图12为显微镜标注图；
图13为显微镜下的严重变形切屑图
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例基本如附图1所示：基于Solidworks的剐削切屑几何模型构建方法包括参数的输入、切削刃模型建立、刃扫面模型建立、瞬时齿槽生成和输出。
请参考图2，其中参数输入如下，首先建立坐标系：工件坐标系为S1(o1,x1,y1,z1)，其中o1表示S1坐标系的坐标原点，x1轴、y1轴、z1轴的单位矢量分别为i1,j1,k1；Sp(op,xp,yp,zp)是S1(o1,x1,y1,z1)的辅助坐标系，其中op表示Sp坐标系的坐标原点，xp轴、yp轴、zp轴的单位矢量分别为ip,jp,kp。
刀具坐标系为S2(o2,x2,y2,z2)，其中o2表示S2坐标系的坐标原点，x2轴、y2轴、z2轴的单位矢量分别为i2,j2,k2；；S0(o,x,y,z)是S2(o2,x2,y2,z2)的辅助坐标系，o表示S0坐标系的坐标原点，x轴、y轴、z轴的单位矢量分别为i,j,k。
随后工件齿面模型以坐标系S1(o1,x1,y1,z1)建立，刀具模型以坐标系S2(o2,x2,y2,z2)建立，坐标系Sp和坐标系S0的空间位置固定。
最后参照坐标系建立以下参数：①中心距a是刀具轴线与工件轴线之间的垂直距离；②轴交角γ是刀具轴线和工件轴线之间的夹角；③φ1是工件坐标系S1随着工件相对于初始位置旋转的角度；④l是指工件坐标系S1相对于辅助坐标Sp沿着工件轴向zp轴正方向移动的距离，⑤φ2是指刀具坐标系S2随着刀具相对于初始位置旋转的角度。
请参考图3，切削刃模型的构建：可得从刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)到工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的总变换矩阵为
T＝T20·Top·Tp1 (2-1)
式中，T20指从刀具坐标系S2到辅助坐标系S0的变换矩阵，Top指从辅助坐标系S0到辅助坐标系Sp的变换矩阵，Tp1指从辅助坐标系Sp到工件坐标系S1的变换矩阵。
请参考图4和图5，刃扫面的构建：工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的工件齿面转换到刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)带入时间参数t，D1表示t1时刻对应的切削刃，Di表示[t1,t2]内的某时刻ti对应的切削刃，Dn表示t2时刻对应的切削刃，其中参考空间运动学原理，刃扫面的轨迹如下
式中，rj表示第j个刃扫面上的点在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的矢量；rr表示切削刃上的点在刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)的矢量；j表示在刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)，第j个刃扫面上的切削刃上的点与刀轴之间的距离；T表示从刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)到工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的总变换矩阵，令：
rr(r)＝[x2 y2 z2 1]'
联立公式(可得刃扫面的参数方程为：
式中，
将工件理论齿面的共轭面作为参照面，随后采用平面或其他规则曲面与共轭面求交集而获得交线，以此交线作为剐齿刀的切削刃。
请参考图6和图7，随后，指定一个时间段[t1,t2],t1表示刃扫面的起始时刻，t2表示刃扫面的结束时刻，分界线对应的时刻为扫入阶段对应的时刻为/>扫出阶段对应的时刻为/>
ii)S2(o2,x2,y2,z2)和工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)，假设工件的齿槽Ei在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)最终形成的齿面为F(x,y,z)＝0，形成齿槽Ei最终齿面需要进行最后一次中心距为an、加工余量为δn的剐削加工，假设最后一次剐削加工对应的齿面在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)为G(x,y,z)＝0。
对于切屑的生成遵循以下规律，代入时间段，随后以扫入阶段对应时刻的轨迹为主，代入齿槽参数和刀具参数结合布尔运算，得出未优化切屑形状。
输出阶段：对于切屑的优化参照以下方法；
对于沿齿宽方向切屑长度的限定参照如下；
对于切屑厚度的限定参照如下；
请参考图8(其中(a)为刃扫面刚接触上端面示意图，(b)为刃扫面分界线刚接触上端面示意图，(c)为刃扫面分界线刚接触下端面示意图，(d)为刃扫面将远离下端面示意图)，
其中，t1是指第j+1个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t2是指第j个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t3是指第j个刃扫面与最终形成的齿面F(x,y,z)＝0刚接触的时刻；
对于切屑体积的限定参照如下；
式中，D＝{(t，h)|0≤t≤t4,0＜h≤h(t)}，v1为工件的进给速度，s(t,h)为完全切削阶段未变形的三维切屑在宽度方向上的厚度，h(t)为未变形的三维切屑的宽度。
根据空间几何关系，完全切削阶段的未变形三维切屑是由最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得的空间几何体，即
请参考图9，用Q(x,y,z)＝0表示最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得完全切削阶段的未变形三维切屑。
具体实施过程如下：此时根据上述步骤带入表1的参数选择
表1剐齿刀刀具与齿轮工件基本参数一览表
剐齿加工的过程中，以工件的一个齿槽Ci为例，剐齿加工过程为共有22号刀齿的剐齿刀的第p-1号刀齿最先切削工件的齿槽Ci-1，紧接着是第p号切削工件的齿槽Ci，然后是第p+1号刀齿切削齿槽Ci+1经过一个时间段t，剐齿刀第q号刀齿再次切削齿槽Ci。以第p号刀齿接触齿槽Ci工件的齿槽Ci为初始时刻，到工件旋转一周后第q号刀齿再次切削齿槽Ci所需的时间即为t，则
根据几何关系，可以获得沿着齿宽方向的切屑长度的计算公式：
其中，n1为工件转速，v1为工件进给速度，f为进给量。
切屑的厚度s(t，h)为工件坐标系下完全切削阶段三维未变形切屑在不同宽度位置的厚度，s(t,h)由s1(t,h)和s2(t,h)组成，即
其中，t1是指第j+1个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t2是指第j个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t3是指第j个刃扫面与最终形成的齿面F(x,y,z)＝0刚接触的时刻。
根据微分几何基本理论，切削刃空间轨迹对应的切屑体积计算可以通过式2-17获得：
式中，D＝{(t，h)|0≤t≤t4,0＜h≤h(t)}，v1为工件的进给速度，s(t,h)为完全切削阶段未变形的三维切屑在宽度方向上的厚度，h(t)为未变形的三维切屑的宽度。
根据空间几何关系，完全切削阶段的未变形三维切屑是由最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得的空间几何体，即
用Q(x,y,z)＝0表示最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得完全切削阶段的未变形三维切屑，通过三维绘图软件solidworks仿真获得的未变形的三维切屑仿真示意图如图2-13所示。
请参考图10，本文选定齿槽Ci-1作为加工对象，齿轮工件每旋转一周，圆弧齿剐齿刀就有一个刀齿切削加工齿槽Ci-1。将刃扫面的坐标点数据按刀齿加工顺序导入到Solidworks中，利用S中的切除实体功能可以得到圆弧齿剐齿刀对齿槽Ci-1切削过程中产生的未变形的三维切屑，完全切削阶段产生的切屑。
其中图11，图12和图13为-----显微镜下拍摄的图片，图12的尺寸标注是显微镜自带软件测量实现的。剐齿加工过程中，完全切削阶段占剐齿加工总过程的98％以上，图13对应的即是剐齿加工中的完全切削阶段。
观察图11，可以得知真实的切屑中间宽两边窄，结合图12的尺寸标注，可以得知，真实切屑呈中间偏左厚度最大并向两边逐渐减小的趋势，可以近似认为真实切屑是由两个圆弧截交获得，真实切屑的轮廓与月牙相似。
上述图片与图10进行比对，可以得知solidworks仿真软件三维造型的未变形切屑与真实切屑相似度较高，solidworks软件三维造型的未变形切屑仿真效果较好。通过观察图13，可以得知未变形切屑在剐齿加工过程中发生较大的变形，比较显著的有卷曲、撕裂。
剐齿加工过程包括切入阶段、完全切削阶段、切出阶段，切入阶段和切出阶段占的比重很低，再加上这两个阶段形成的未变形切屑比较狭长，在剐齿加工过程中，极易发生卷曲和撕裂，因此在大量的真实切屑中，很难找到与切入阶段和切出阶段对应的真实切屑。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (1)
1.基于Solidworks的剐削切屑几何模型构建方法，其特征在于：利用仿真系统创建工件几何实体，并构建剐齿刀的切削刃模型，依据剐齿刀和工件之间的运动关系与位置关系，将构建工件坐标系下剐齿刀刀齿上的切削刃相对于工件所形成的刃扫面模型，随后将工件毛坯与刃扫面相结合，刃扫面与瞬时齿槽几何实体之间的布尔运算形成未变形切屑以及新的瞬时齿槽，仿真结束后将输出剐齿刀某个刀齿在剐削过程中去除的未变形三维切屑几何模型；
包括以下步骤；
S1,参数的输入，分别建立工件坐标系、工件辅助坐标系、刀具坐标系和刀具辅助坐标系，在工件坐标系的基础上建立工件齿面模型，同时带入矢量坐标限定中心距、轴交角和初始旋转角度；
S2,切削刃模型建立，将工件理论齿面的共轭面作为参照面，随后采用平面或其他规则曲面与共轭面求交集而获得交线，以此交线作为剐齿刀的切削刃；
S3，刃扫面模型，转换切削刃和工件坐标系，带入时间参数将刃扫面模型分为部分切入状态、完全切入状态和切出状态以形成连续不断的曲面；
S4，瞬时齿槽生成，将刃扫面与瞬时齿槽几何实体进行布尔运算；
S5，输出，对三维未变形切屑和瞬时齿槽进行生成；
所述S1中，坐标系的建立方法如下，工件坐标系为S1(o1,x1,y1,z1)，其中o1表示S1坐标系的坐标原点，x1轴、y1轴、z1轴的单位矢量分别为i1,j1,k1；Sp(op,xp,yp,zp)是S1(o1,x1,y1,z1)的辅助坐标系，其中op表示Sp坐标系的坐标原点，xp轴、yp轴、zp轴的单位矢量分别为ip,jp,kp；
刀具坐标系为S2(o2,x2,y2,z2)，其中o2表示S2坐标系的坐标原点，x2轴、y2轴、z2轴的单位矢量分别为i2,j2,k2；S0(o,x,y,z)是S2(o2,x2,y2,z2)的辅助坐标系，o表示S0坐标系的坐标原点，x轴、y轴、z轴的单位矢量分别为i,j,k；
随后工件齿面模型以坐标系S1(o1,x1,y1,z1)建立，刀具模型以坐标系S2(o2,x2,y2,z2)建立，坐标系Sp和坐标系S0的空间位置固定；
最后参照坐标系建立以下参数：①中心距a是刀具轴线与工件轴线之间的垂直距离；②轴交角γ是刀具轴线和工件轴线之间的夹角；③φ1是工件坐标系S1随着工件相对于初始位置旋转的角度；④l是指工件坐标系S1相对于辅助坐标Sp沿着工件轴向zp轴正方向移动的距离，⑤φ2是指刀具坐标系S2随着刀具相对于初始位置旋转的角度；
对于剐齿的矩阵变化情况为:
式中，T20指从刀具坐标系S2到辅助坐标系S0的变换矩阵，Top指从辅助坐标系S0到辅助坐标系Sp的变换矩阵，Tp1指从辅助坐标系Sp到工件坐标系S1的变换矩阵；
在步骤S3中，根据共轭原理构建剐齿加工的轨迹构建刃扫面，构建方法如下包括a)或b)；
a)将刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)的刃切削刃转换到工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)或
b)将工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的工件齿面转换到刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)；
在b)中带入时间参数t，D1表示t1时刻对应的切削刃，Di表示[t1,t2]内的某时刻ti对应的切削刃，Dn表示t2时刻对应的切削刃，其中参考空间运动学原理，刃扫面的轨迹如下：
式中，rj表示第j个刃扫面上的点在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的矢量；rr表示切削刃上的点在刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)的矢量；j表示在刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)，第j个刃扫面上的切削刃上的点与刀轴之间的距离；T表示从刀具坐标系S2(o2,x2,y2,z2)到工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)的总变换矩阵，令：
rr(r)＝[x2 y2 z2 1]'
联立公式可得刃扫面的参数方程为：
式中，
在步骤S4中生成瞬时齿槽的方法如下；
i)指定一个时间段[t1,t2],t1表示刃扫面的起始时刻，t2表示刃扫面的结束时刻，分界线对应的时刻为扫入阶段对应的时刻为/>扫出阶段对应的时刻为/>
ii)S2(o2,x2,y2,z2)和工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)，假设工件的齿槽Ei在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)最终形成的齿面为F(x,y,z)＝0，形成齿槽Ei最终齿面需要进行最后一次中心距为an、加工余量为δn的剐削加工，假设最后一次剐削加工对应的齿面在工件坐标系S1(o1,x1,y1,z1)为G(x,y,z)＝0；
对于切屑的生成遵循以下规律，代入时间段，随后以扫入阶段对应时刻的轨迹为主，代入齿槽参数和刀具参数结合布尔运算，得出未优化切屑形状；
对于切屑的优化参照以下方法；
对于沿齿宽方向切屑长度的限定参照如下；
对于切屑厚度的限定参照如下；
其中，t1是指第j+1个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t2是指第j个刃扫面与最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0刚接触的时刻，t3是指第j个刃扫面与最终形成的齿面F(x,y,z)＝0刚接触的时刻；
对于切屑体积的限定参照如下；
式中，D＝{(t，h)|0≤t≤t4,0＜h≤h(t)}，v1为工件的进给速度，s(t,h)为完全切削阶段未变形的三维切屑在宽度方向上的厚度，h(t)为未变形的三维切屑的宽度；
根据空间几何关系，完全切削阶段的未变形三维切屑是由最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得的空间几何体，即
用Q(x,y,z)＝0表示最后一次剐削加工对应的齿面G(x,y,z)＝0、第j个刃扫面以及第j+1个刃扫面截交获得完全切削阶段的未变形三维切屑。
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