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摘要 摘要 高速切削技术广泛的应用于现代制造领域，高速切削刀具是高速切削的核心 工具。传统的刀具设计需要大量的查表、计算、绘图，设计周期长效率低。为了 改变这一现状，我们积极改进传统的刀具开发手段，吸收和采用国际先进技术进 行高速刀具的研发。 本课题通过分析面铣刀国内外研究现状，学习和了解了面铣刀的设计理论。 以u gn x 6 0 为c a d 系统开发平台，应用u g 二次开发工具和c 撑语言和a c c e s s 数据库，结合参数化设计技术，开发出基于u g 的硬质合金面铣刀c a d 系统。通 过调用u go p e n a p i 函数对刀具的参数化模型进行驱动和绘制，实现了硬质合金 面铣刀三维参数化设计，利用u gw a v e 技术实现三维模型的关联装配，并建立了 相应的零部件参数数据库。 本论文主要包括以下内容：对面铣刀国内外的研究现状进行了研究和分析； 介绍硬质合金面铣刀c a d 系统的开发平台、技术手段和参数化设计理论；通过分 析面铣刀结构和设计理论，建立硬质合金面铣刀结构模型；利用有限元软件对面 铣刀进行仿真分析，确定硬质合金面铣刀前角后角对加工性能的影响；完成硬质 合金面铣刀c a d 系统的总体设计，并针对系统的关键技术进行分析和研究。系统 运行实例表明，用户通过选择和输入相应的参数，能方便，快速的完成硬质合金 面铣刀产品的参数化设计。 关键词u g ；面铣刀；c a d ；二次开发；参数化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g hs p e e dc u t t i n gh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yc o n t e m p o r a r ym a n u f a c l m i n g t e c h n o s p h e r e ，h i 曲s p e e dc u t t e ri st h ec o r et o o l o fh i 曲s p e e dc u t t i n g t r a d i t i o n a l d e s i g no fc u t t e r sr e q u i r e sl o t so ft a b l es e a r c h i n g ，c a l c u l a t i n g ，p l o t i n g ，b u tl o we f f i c i e n c y a n dl o n gp e r i o do fd e s i g n t oc h a n g et h i ss i t u a t i o n ，w eh a v et oi m p r o v et h et r a d i t i o n a l m e t h o dw h i c hu s e di nd e v e l o p i n gc u r e ra n da b s o r bt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yf r o m f o r e i g nm a n u f a c t u r ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dc u t t e r o u rs t u d yh a sl e a r n e dd e s i g nt h e o r yo ff a c em i l l i n gc u t t e r sb ya n a l y z i n gt h e r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d w eh a v eu s e du gn x 6 0a st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f c a ds y s t e m c o m b i n e dw i t hp a r a m e t r i cd e s i g nt h e o r ya n dt h eu s eo fu gs e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt o o l s ，c 撑a n da c c e s sd a t a b a s et od e v e l o pc a ds y s t e mo fc a r b i d ea l l o y f a c ec u t t e rb a s e do nu g t h r o u g ht h eu s eo f u g o p e n a p if u n c t i o nc a r r i e so u td r i v i n g a n dp l o t t i n go ft h ec u t t e rp a r a m e t r i cm o d e l ，t oa c h i e v e3 dp a r a m e t r i cd e s i g no fc a r b i d e a l l o yf a c ec u t t e r , u t i l i z eu gw a v et e c h n o l o g yt oa t t a i ns y s t e ma s s e m b l ya n de s t a b l i s h p a r a m e t e rd a t a b a s eo fc o l l r e s p o n d i n gp a r t s t h ec o n t e n t so ft h er e s e a r c hi n c l u d e ：r e s e a r c ha n da n a l y s i st h er e s e a r c hs t a t u so f d o m e s t i ca n df o r e i g n ；i n t r o d u c ec a ds y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t e c h n i c a lm e a n s a n dp a r a m e t r i cd e s i g nt h e o r yo fc a r b i d ea l l o yf a c ec u t t e r , b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n d d e s i g nt h e o r yo ff a c ec u t t e se s t a b l i s hc a r b i d ea l l o yf a c ec u r e rs t r u c t u r em o d e l ；u s i n g f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rs i m u l a t i o no fd i s kc u t t e ri no r d e rt om a k es u r et h ee f f e c to f t h es p e c i f i cp a r a m e t e r st op r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e c o m p l e t ec a r b i d ef a c ec u r e rc a d s y s t e md e s i g na n da n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rs y s t e m r u n n i n g i n s t a n c es h o w e dt h a tu s e r st h r o u g hs e l e c ta n de n t e rt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sc o m p l e t e t h ec a r b i d ef a c ec u t t e rd e s i g np a r a m e t e r so ft h ep r o d u c te a s i l ya n dq u i c k l y , t h e s ei nl i n e w i t hm o d e m t e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t s k e y w o r d su g ；f a c em i l l i n gc u t t e r ；c a d ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；p a r a m e t r i cd e s i g n i i i 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 刀具是机械制造领域中用于切削加工的工具，切削加工广泛的应用于各个行 业和领域之中，是航空，航天，军工，能源，模具，电力和新兴的电子信息等行 业中最主要加工技术，也是推进这些行业快速发展的动力和源泉。据估计，切削 加工占制造业工作总量的4 0 以上1 2 j 。随着生产力的发展，为了适应更高生产要求， 各国加大在切削技术领域的投入的研究：开发了超高速切削，高速切削，干切削， 硬切削等切削技术【3 1 ，研制出高效率，高精度、高可靠性的切削刀具【4 】，同时在计 算机辅助设计方面也产出了一系列的重大技术成果和突破p j 。 我国的刀具的研制起步晚，技术落后。在刀具市场呈现繁荣和扩大的局面下， 众多大型跨国公司占领了中国9 0 份额【6 】。在这一现状下，国内企业加大科研投 入，努力追求技术进步，使自己的产品和技术尽量赶上现代制造技术的发展需要。 现阶段的刀具设计一般依靠计算机辅助设计完成。依靠计算机技术可以总结经验 并进行仿真和分析，智能化的辅助设计并减少“试验一改进的次数，使得新产 品的开发费用、成本、时间大幅减少。国外早已经实际应用c a d 技术进行刀具设 计，不单全面提高了刀具设计的质量，而且大大缩短了刀具的生产周期。为了缩 小和国外先进技术的差距，需要加大在刀具c a d 系统研制方面的投入。 本课题就是基于上述背景，通过对硬质合金面铣刀和u g 二次开发技术的研 究，开发出了硬质合金面铣刀c a d 系统。 1 2 国内外刀具c a d 系统的发展概况 c a d 技术指工程师依靠计算机，应用自身专业知识对产品进行设计、绘图、 分析和制造仿真同，可以充分发挥设计人员的经验知识、创造性思维、综合判断和 分析等能力，并结合计算机的强大存储与信息检索、高速精确计算和处理数据等 特性引，大大的降低生产和设计成本，提高设计质量与效率，是现代先进制造技术 山东人。硕十学f 节论文 的重要发展方向，是制造业领域的又一次重大的技术突破，广泛用于现代化生产 中1 9 1 。 刀具c a d 系统是指依靠计算机软硬件进行刀具的设计、仿真、分析和管理为 一体的系统，具有高效，智能，便捷等特点【1 0 】。国内外的许多高校，企事业单位 和科研机构都进行着刀具c a d 系统的相关研究。 1 2 1国外刀具c a d 系统的发展概况 国外的刀具c a d 系统悠久，计算机使用相对我国普及较早，刀具业的巨头瑞 士的山德维克( s a n d v i k ) 集刚l l 】，美国的肯纳( k e n n a m e t a l ) 公司和德国的蓝帜( l e i t z ) 集团等都在使用自己的成熟刀具c a d 系统，具体的发展历程大致如下： 第一代刀具c a d 系统出现于6 0 年代初期，这一代刀具c a d 系统主要用于绘 n - 维图，主要的技术就是用解析几何的方式定义点，线和简单的几何图素； 第二代刀具c a d 系统出现在7 0 年代，经过了第一代系统的发展，c a d 技术 逐渐成熟，第二代刀具c a d 系统可以完成三维刀具造型并交互式的绘带j j - - 维图， 并出现了众多商品化的刀具c a d 系统【1 2 】； 第三代刀具c a d 系统出现在8 0 年代中期，出现了特征建模和基于约束的参 数化建模方法，并从而出现了基于特征和参数化的设计系统，这种系统在二、三 维模型以及c a m c a e 系统之间建立了统一的数据库，完成了二、三维模型的相 互关联以及c a d c 砧w c a e 的信息集成； 第四代刀具c a d 系统就是现阶段的正在研制的c a d 系统，这代系统的研制 目标是支持新产品设计的综合性环境支持系统，能采用多种设计理念全面支持异 地，数字化的完成产品设计i l4 1 。 1 2 2国内刀具c a d 系统的发展概况 我国的刀具c a d 系统研究起步较晚，一般划分为以下三个发展阶段： 刀具c a d 系统发展的第一阶段是1 9 9 5 年之前，沈阳工业大学在“复杂刀具 c a d 支撑软件的探讨中，论述了系统的主要构成以及刀具c a d 系统在未来机 械制造中的实用价值，为我国通用复杂刀具c a d 系统的开发提出了具体思路 1 5 】。 2 第1 章绪论 哈尔滨科学技术大学和齐齐哈尔第二机床厂在“复杂刀具的计算机辅助设计”上， 对有关复杂刀具的计算机计算，分析，设计进行了相关研究【l6 。山东工业大学在 “智能刀具c a d 系统中刀具表面和几何角度的适应性模型”研究中，利用离散点 集近似表示的方法，提出了一中适用于多种刀具的表面近似模型，推倒出了刀具 几何角度的通用计算表达式1 1 7 1 。这一阶段的刀具c a d 系统主要是对系统的算法和 模型进行研究和讨论，受限于计算机技术的发展在d o s 下运行，可视性和交互性 比较差。 刀具c a d 系统发展的第二阶段是1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，随着w i n d o w s 9 5 和 w i n d o w s 9 8 出现和普及，在视窗操作系统的刀具c a d 系统逐渐显现了巨大的应用 价值。轻化工学院在“成型车刀c a d 系统 上，分析了成型车刀知识库的组织与 推理机制【1 8 】。大连理工大学在“基于知识的刀具c a d 模式研究中，依靠分析刀 具实际过程和知识特点，结合齿轮滚刀c a d 系统，对刀具c a d 系统的框架结构、 知识表示、工作图绘制等关键技术进行了研究【l9 1 。哈尔滨工业大学在“数控刀具 设计平台上，完成了数控刀具的参数化设计，大大提高了数控刀具的设计效率【2 0 1 。 华东理工大学在“面向对象的齿轮刀具c a d 系统”中，分析齿轮刀具c a d 的应 用对象及功能要求，讨论了系统关键技术的解决方烈2 1 1 。北京航空航天大学在“刀 具c a d 系统的研究与开发 中，简化的相关图纸的管理，提高了刀具的设计质量 【2 2 】。华东交通大学在“用v b a 开发刀具绘图系统中针对刀具零件形体复杂的特 点，提出了用切削法造型的构造思维【2 3 1 。这一阶段的刀具c a d 系统主要研究参数 化绘图和模型库的建立，并且随着计算机技术的发展，高级语言的应用，界面和 可操作性相比之前取得了巨大的提高。 刀具c a d 系统发展的第三阶段从2 0 0 0 年开始，成果不断涌现，中国第一汽 车集团在“插齿刀c a d 系统的开发与应用中，利用v b 6 0 和a u t o c a dr 1 4 开 发出一套集设计计算、参数查询、刀具信息管理、绘图输出等功能一体的集成化 插齿刀c a d 系统【2 4 1 。燕山大学在“基于实例推理的涡轮滚刀c a d 系统 中，针 对涡轮滚刀的特点，采用基于特征和参数化的建模方法，在刀具设计方面应用c b r 技术作出了示范【2 引。西北工业大学在“智能化专用刀具c a d 系统 中，结合专家 系统原理和基于实例推理的原理，实现了刀具设计的智能化建模【2 6 1 。西华大学在 “整体硬质合金刀具c a d 系统”中，通过参数化设计方法构造出三维立铣刀的模 型，利用模型和工程图的相关性，实现工程图的设计自动化1 27 1 。山东大学在“整 1 ij 东人。7 ：硕十学位论文 体硬质合金立铣刀计算机辅助设计与制造系统”上，通过分析铣刀数控磨削加工 过程中砂轮姿态，开发了整体硬质合金立铣刀的设计制造集成系统，填补国内高 速加工铝合金刀具设计与制造c a d 系统的空白。还在“螺旋齿拉刀的c a d 系统 上，结合有限元方法从刚度、强度和应力观点对刀具进行分析计算，改进螺旋齿 拉刀受力情况、对拉刀进行失效分析提供理论依据和分析手段。 u g 二次开发是指在u g 软件平台上，结合具体的应用需求，总结行业的经验， 开发专门的c a d 系统，在通用c a d 系统上融入专业知识建立专用的c a d 系统是 目前c a d 应用的方向，但是由于企业缺少这一方面的人才并不重视这一方面的投 入，目前主要由高校应用u g 二次开发建立c a d 系统，并取得了相应的成果。 南昌大学在u g 平台上进行二次开发，建立了“基于u g 的直齿圆柱齿轮的参 数化设计系统，实现了直齿圆柱齿轮的参数化建模1 28 1 。湖南大学在进行参数化 特征建模理论，u g 二次开发技术和u g 标准件库等深入研究的基础上，综合运用 u g 的二次开发工具建立了“汽车冲模标准件库c a d 系统【2 9 1 。西南交通大学以 u g 为平台，运用v c + + 语言和相关二次开发工具，建立了“行星减速器三维设计 系统”，系统包括相关产品的性能设计，特征造型虚拟装配【3 0 】等功能模块【3 l j 。东 北林业大学通过对u g 二次开发，建立了“基于u g 二次开发的车用活塞组c a d 系统”，可以参数化的建立相应的三维模型【3 2 】，以及西安科技大学通过u g 二次开 发建立的“基于u g 锥齿轮差速器的参数化设计及其二次开发”，可以参数化的建 立锥齿轮差速器的三维模型【3 3 1 。 虽然在通过软件u g 上建立相应的c a d 系统已经很普遍，但是在u g 上开发 硬质合金面铣刀c a d 系统这方面国内还不是很多，哈尔滨理工大学在“高速面铣 刀的设计及系统开发”和“高速面铣刀刀体加工特征研究与c a m 系统【3 4 】 上，取 得了相应的成果，但系统的研发集中在动平衡理论分析和刀具的c a m 上，对面铣 刀的参数化设计研究很少。 1 3 本课题的研究意义和主要内容 本课题在研究u g 二次开发及硬质合金面铣刀设计的理论基础上，就如何建 立硬质合金面铣刀c a d 系统进行了深入的研究，完成了硬质合金面铣刀c a d 系 统的开发。 4 第1 章绪沦 课题的主要内容包括： ( 1 ) 分析研究了u g 的参数化设计方法、u g 二次开发工具和硬质合金面铣 刀的结构与几何参数。 ( 2 ) 分析硬质合金面铣刀c a d 系统的设计要求，根据u g 二次开发工具的 特点，制定硬质合金面铣刀c a d 系统的具体实施方案。 ( 3 ) 应用c # 语言，a c c e s s 数据库和u g 的二次开发工具，开发了硬质合金 面铣刀c a d 系统。使用了u g o p e nm e n us c r i p t 编写用户菜单，u g o p e nu is t y l e r 制作用户对话框【3 5 】，应用c 拌语言和a c c e s s 编写程序实现硬质合金面铣刀c a d 系 统的相应功能并存储相应的数据【3 6 j 。 ( 4 ) 使用实例说明硬质合金面铣刀c a d 系统的使用流程及功能。 本课题研究的主要意义： ( 1 ) 为设计人员提供实用、高效的参数化设计平台。 ( 2 ) 通过对已有的产品进行分析、归纳、总结，建立对应的参数化设计系统， 帮助企业实现资源优化配置。 ( 3 ) 对企业的后续研发提供了基础，企业可以根据现有内容进行软件的完善 和发展，参数化的三维模型同时支持应力分析和动态仿真。 ( 4 ) 用户可以通过输入相应参数得到相应的硬质合金面铣刀三维模型，同时 用户可以通过输入需要加工工件的具体参数，软件通过计算和分析自动选择合适 的硬质合金面铣刀。 本论文的结构如下： 第一章对国内外的研究现状进行了研究和分析； 第二章介绍硬质合金面铣刀c a d 系统的开发平台、技术手段和参数化设计理 论；分析u g 软件几种不同的参数化设计方法，u g 的虚拟装配技术和w a v e 技 术，具体分析了u gw a v e 的参数化设计方法【3 7 】； 第三章介绍研究了硬质合金面铣刀的结构和几何参数，总结出了主参数和各 参数的相互关系； 第四章使用有限元软件对面铣刀进行铣削仿真分析，确定硬质合金面铣刀具 体参数对加工性能的影响；优化面铣刀的角度参数，使得面铣刀的角度更加合理， 安全，高效。 第五章介绍硬质合金面铣刀c a d 系统的总体设计，并针对系统的关键技术进 6 山东人学硕十。何论文 行分析和研究，建立良好的人机交互界面和面铣刀数据库，使设计人员大幅提高 了设计效率； 第六章完成硬质合金面铣刀c a d 系统的开发，介绍系统的功能模块，运行程 序实例说明程序的具体功能。 最后对全文研究课题进行总结，指出本文的不足之处及以后的研究方向。 第2 章墓丁u g 的c a d 一：次开发技术 第2 章基于u g 的c a d 二次开发技术 2 1u g 二次开发的关键技术 u g ( u n i g r a p h i c sn x ) 是s i e m e n sp l ms o f t w a r e 公司出品的一个产品工程解 决方案，它为技术革新的工业设计和创造性的产品风格提供强有力的解决方案【3 8 1 。 是高度集成c a d c a e c a m 的软件系统，并且c a d c a m c a e 各部分模块之间的 数据能自由转换1 3 9 】。主要功能包括产品设计、产品仿真、n c ) j n - v _ t 4 0 1 和开发解决方 案，获得了广泛的应用【4 。 二次开发主要是指在现有的软件基础上，为了提高和完善软件的功能，使软 件能更好的满足用户的需求，而对软件进行的开发和完善工作。二次开发可以增 加软件的功能，提高设计质量和效率4 2 1 。 u gn x 6 0 软件本身带有u g o p e n 开发工具集，用户利用该工具集可对u g 进行系统化的完善和开发，满足用户的需求，主要由u g o p e n a p i 、u g o p e ng r i p 、 u g o p e nm e n us c r i p t 和u g o p e nu is t y l e r 四大部分组成1 4 3 】。 ( 1 ) u g o p e n a p i u g o p e na p i 是u g 的核心开发工具，内部封装了近2 2 0 0 个函数，几乎可以 实现u g 的所有操作，通过对这些函数的调用，用户可以建立、编辑、修改、保 存、查询u g 的实体特征和对象，实现用户和计算机的交互。 现在u gn x 6 0 版本的u g o p e na p i 程序可以使用的v b 、v c 、v c + + 、c 撑 和j a 、，a 等编程语言。u g 可以在v s 和v c 等多种环境下进行二次开发，这些环 境自带的函数库可以丰富和完善u g o p e na p i 的功能，同时也方便集成用户和企 业原有的n e t 应用程序，u gn x 6 0 自身还带有一些函数的实例程序，这些程序一 般放在安装目录下u g o p e n 文件夹，文件夹中一般有两种文件：幸c s 文件和奉h 文件，其中木h 文件是函数的头文件，是对引用的函数的说明，宰c s 文件是具体函 数的应用实例【3 引。 ( 2 ) u g o p e ng r i p u g o p e ng r i p 是u g 的专用语言开发工具，语法比较简单，但编制的程序繁 冗，如果程序复杂，结构多样，使用u g o p e ng r i p 进行开发就会十分的不便，因 7 1 1j 尔人学硕十。丫：何论文 此u g o p e ng r i p 只适用于开发规模较小的程序1 。 ( 3 ) u g o p e nm e n us c r i p t u g o p e nm e n us c r i p t 是创建和编辑用户菜单的工具，该工具语法简单，用户 可以使用该工具修改u g 的菜单布局，从菜单调用用户二次开发的程序【4 4 1 。 ( 4 ) u g o p e nu is t y l e r u g o p e nu is t y l e r 是u g 提供对话框编辑工具，用户可以通过该工具可视化 的创建相应的对话框与计算机进行交互操作。创建的对话框根据选择语言的生成 相应的文件，本系统的二次开发选用c 拌语言，将创建的文件以c 挣形式保存，系统 自动生成2 个文件：枣d l g 和幸c s 【4 5 1 。 ( 5 ) u g o p e n 开发工具之间的相互关系 u g 软件为用户提供的各种二次开发的工具，不但可以单独使用，还可以相互 调用各个工具开发的结果，大大的扩展了工具本身所具有的功能，方便用户进行 更完善的二次开发，各开发工具之间的相互调用关系如图2 1 所示： 图2 1u g o p e n 开发工具之间的关系 可以通过u g o p e nm e n us c r i p t i 具制作的菜单调用u g o p e nu is t y l e r 开发的 对话框，或者直接调用u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 开发的程序，也可以通过 u g o p e nu is t y l e r 工具开发的对话框直接调用a p i 和g r i p 开发的程序，并且g r i p 语言开发的程序和a p i 程序之间还可以相互调用【4 6 1 。 由于要开发的硬质合金面铣刀结构比较复杂，而u g o p e ng r i p 有比较大的局 限性，所以本设计选用u g o p e na p i 、u g o p e nm e n us c r i p t 和u g o p e nu is t y l e r 进行硬质合金面铣刀系统的设计和二次开发。 第2 章萃丁u g 的c a d ：汐：丌发技术 2 2 参数化设计技术 2 2 1 参数化设计 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 是建筑设计( r e v i tb u i l d i n g ) 的一个重要思想，包 含参数化图元和参数化修改引擎两大部分，是新一代智能化c a d 系统的核心组成， 主要是基于约束的设计，用一组参数组合定义几何体的尺寸位置并约束尺寸间的 相互关系，通过参数保存图元的所有数字化信息，用户对几何图形的具体尺寸， 位置等参数修改，参数化修改引擎会自动更新图形，并且双向的传播到所有的视 图，以保证所有图纸的一致性h 7 1 。 参数化建模从当初的交互式绘图已经发展到现阶段的自动绘图的阶段，用户 可以预先定义建立集合约束组，并将几何图形之间的关系也用参数关联，通过调 用参数集合，自动生成相应的几何图形，并且可以随时的修改和驱动。利用参数 化设计手段开发设计产品，可以大量节约设计人员的繁琐绘图工作，大大提高设 计速度。主要的参数化设计技术有：基于特征的参数化设计、全尺寸约束的参数 化设计、尺寸驱动设计修改参数化设计和数据关联参数化设计 4 s 】。 ( 1 ) 基于特征的参数化设计就是将一些具有代表性的几何形状定义为特征， 并提取具体特征的相应参数，用户可以通过这些特征形成实体，并以此为基础进 行复杂集合体的构造【4 9 1 。 ( 2 ) 全尺寸约束的参数化设计就是将几何体的形状和尺寸综合考虑，通过尺 寸约束对几何体的形状进行控制，需要注意的是在约束几何体时必须建立完整的 尺寸约束，不能缺省和过多约束1 5 0 1 。 ( 3 ) 尺寸驱动设计修改的参数化设计是指通过修改参数的数值来驱动几何体 的改变【5 1 1 ，从而实现的参数化设计方法。 ( 4 ) 数据关联参数化设计是指尺寸参数的修改会导致相互关联的尺寸变化， 从而进行整体的更别5 2 l 。 参数化设计可以大大的提高模型的生成和修改速度，在产品的系列化，模块 化设计及c a d 二次开发方面具有很大的应用价值。 9 1 | j 东人学硕 j 学位论文 2 2 2u g 的参数化设计 u g 的参数化设计功能特点是基于零部件的具体特征，全尺寸约束，全数据相 关尺寸驱动的参数化设计。零部件的模型分解成具体的特征，每种特征通过尺寸 约束来表示，改变相应的约束参数就可以驱动相应零部件模型的改变。u g 提供了 种类繁多的参数化设计工具，常用的有：电子表格( s p r e a d s h e e t ) 法、用户表达式 ( e x p r e s s i o n ) 法、自定义特征( u s e rd e f i n e df e a t u r e ) 法、u gw a v e ( 部件间关 联设计) 法和程序设计( 二次开发) 法五种【5 3 l 。 其中电子表格法，用户表达式法和自定义特征法是直接在u g m o d e l i n g 模块 下使用的，使用起来比较直观，只要熟悉常用的参数化建模软件就可以正常使用。 u g w a v e ( 部件间关联设计) 法一般是用于部件间装配的参数化设计。程序设计 ( 二次开发) 法是运用开发工具在u g 软件平台上进行二次开发，对设计人员的 要求比较高，但是调用方便，并且功能是最全面的【5 4 】。 2 2 3u g 电子表格法参数化设计方法 u g 电子表格( s p r e a d s h e e t ) 法参数化设计方法就是将u g 软件和e x c e l 软件 结合使用的一种方法，主要适用于一些结构相同的零部件。 具体的思路就是通过u g 建立零部件的标准模型，然后提取模型的参数，将 参数以e x c e l 的格式保存生成零件族，方便用户管理和编辑。用户通过修改e x c e l 表格中的相应参数，可以驱动相应模型的尺寸变动。可以大大减少实际生产中由 于零部件尺寸变化而进行的重新建模时间。具体参数化设计流程如图2 2 所示： 1 0 图2 2u g 电子表格法参数化设计流程图 第2 章基丁u g 的c a d 一：涉：开发技术 2 2 4u g 用户表达式法参数化设计方法 u g 用户表达式( e x p r e s s i o n ) 法参数化设计方法就是通过运用u g 本身提供 的表达式工具，进行模型的参数化设计。用户可以通过更改参数的表达式，改变 模型的尺寸特征或者空间位置。使用表达式同样可以生成相应的零件族，通过改 变其中的参数值，将一个零件扩展成具有不同尺寸，相同特征的零件族1 55 。主要 用于参数化建模比较简单，其中有运算和验算的零部件。 具体的思路就是在实际生产中，许多参数是由公式计算得出的，往往每一次 更改参数都要重新进行计算和验算，不利于生产的连续进行。通过u g 的表达式 法参数化设计，可以用表达式表示相应的计算模型，当其中的参数改变时，自动 运算结果，通过结果驱动模型，生成相应参数的新模型1 5 酬。这样就实现了生产的 自动化设计，提高了设计的效率和准确性。 2 2 5u g 用户自定义特征法参数化设计方法 u g 用户自定义特征( u s e rd e f i n e df e a t u r e ) 参数化设计方法就是用户选择一 组相关联的特征，保存成一个特征集，当用户需要再次使用相同的操作时，可以 调用该定义好的特征集，生成类似的模型【5 6 1 。用户自定义特征法可以实现复杂结 构的参数化设计，是应用范围最广的参数化设计方法。 具体的思路就是让设计人员可视化的对图形特征进行编辑、修改、存储和使 用，设计人员从任意的u g 模型开始，用特征变量和参数关系的方式添加零件知 识，将这些特征集存储在知识库，实现特征集的访i 司【5 6 】。设计人员想要重复使用 相应特征模型时，只需要调用相应的特征集，输入参数就可以自动生成一个相应 参数的模型。 2 3 虚拟装配技术和w a v e 技术 2 3 1 虚拟装配 虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预 力：人学硕十学何论文 装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划、仿真等改进产 品的设计和装配的结构，实现产品可装配性和经济性。 2 3 2u g 的虚拟装配技术 在硬质合金面铣刀c a d 系统的运行中，需要将各零部件按照规定自动装配到 面铣刀体上并建立约束，u g 提供了强大的虚拟装配技术，用户可以通过贴合、对 准、角度、平行、对齐等多种类型进行装配约束，约束对象可以是三维图形中的 点、线、面、边、角、基准面、基准轴，坐标轴等。虚拟装配技术同样可以进行 二次开发，按照以下几个步骤来实现： ( 1 ) 加载零部件组件：运行u f _ a s s e m _ a d d _ p a r tt oa s s e m b l y 函数将零部件加载 到主装配体三维图形内； ( 2 ) 获取部件对象和约束对象的标识：运行u fa s s e ma s kp a r to c co fi n s t 函 数来获取部件间的标识，使用u f _ o b j _ c y c l e _ b y _ n a m e 获得约束对象的标识，并且此 标识在同一部件中的名称唯一； ( 3 ) 建立装配约束关系：运行u f _ a s s e m _ a p p l ym cd a t a 将约束应用到装配体 上，然后使用u f _ m o d l _ u p d a t 函数更新三维模型，将约束在三维模型上显示出来； 按照以上的流程可以实现零部件的虚拟装配，但是单单只进行虚拟装配，如 果零部件之间的尺寸改变就会导致部件间无法装配等问题，这就要使用u g 所具 有的部件间关联建模技术u gw a v e t 5 7 1 。 2 3 3w a v e 技术 w a v e ( w h a t - i f a l t e r n a t i v ev a l u ee n g i n e e r i n g ) 的含义是指“如果一个产品的关键 参数发生改变，整个产品将如何更新”，它是一种利用几何相关性在部件 ( c o m p o n e n t s ) 建模的技术，基于一个部件的几何元素和它的空间定位去设计相关 部件5 8 1 。 如图2 3 所示，将方头螺栓和方螺母用w a v e 技术装配以后，当其中的一个 尺寸改变时，另一个尺寸也随之改变。通过w a v e 技术可以大量减少设计更改的 时间，使得设计能快速，准确的完成。参数化建模技术是针对零部件个体的技术， 1 2 第2 章基丁u g 的c a d _ 次开发技术 u gw a v e 技术是针对零部件装配关系的技术，是参数化建模技术和系统装配功能 的延伸。 u ，n 方头嫘拎 w a v e 裴陇 图2 - 3 螺栓和螺母的w a v e 技术不例 w a v e 是在最终产品设计和概念性设计之间的设计方法，能对结构复杂的产 品进行总体装配设计。现代生产中一般分为总体设计，零部件设计( 如图2 4 所示) ： 总体设计的时候不需要考虑零部件设计；零部件设计要完全服从总体设计，应用 总体装配设计方法：零部件参数无权改变，而总体参数的尺寸发生改变时，零部 件要随之变化和更新，这样避免了零部件的重复设计，节约了时间和人力成本， 缩短了产品开发周期，提高了企业的核心竞争力。 图2 - 4 现代生产关联设计示例 使用w a v e 可以实现主体到部件的工程参数控制，驱动产品的整体设计，面 向产品的总体数据，并将数据相互关联是w a v e 的强大功能，将产品的总体和零 部件设计统一f 5 8 1 。当某一主要参数改变后，产品就会按照相应的设定，自动更新 整个系统的每一个需要改变的参数，然后驱动整体图形变化，确保产品设计的整 体性。 撼目_ 1 i i 东人学硕十学伊论文 2 3 4u g w a v e 技术 在u g 软件中进行零部件的装配过程中，还可以使用表达式来完善装配。在 硬质合金面铣刀c a d 系统的设计过程中，许多装配是依据尺寸表达式来装配的。 比如螺栓的外径，螺母的孔径在实际生产中应该是相等的。如果不使用表达式的 方法，将螺栓的外径定义为d l l ，螺母的孔径定义为d l 2 并分别赋值，这样当螺 母或者螺栓尺寸发生变化时，尺寸间可能无法装配成功了。为了避免这种情况， 可以将类似的表达式，统一赋值，令d l i = d l 2 = d l ，然后给d l 赋值，这样，当 d l 改变时，螺栓的外径和螺母的孔径参数共同发生改变，方便用户的管理。采用 u gw a v e 表达式参数化设计方法能够将零部件更有效的结合，实现模型实时关联 更新。 2 4 本章小结 本章主要介绍了硬质合金面铣刀c a d 系统开发所使用的软件平台对相关的二 次开发技术进行了研究，研究和讨论了参数化设计、虚拟装配和w a v e 技术，并 对u g 下的参数化设计方法、u g 虚拟装配技术和u gw a v e 技术进行了分析，为 硬质合金面铣刀c a d 系统的开发提供技术支持和理论支持。 1 4 第3 章硬质合金而铣刀纠i 构与儿何参数分析 第3 章硬质合金面铣刀结构与几何参数分析 3 1 硬质合金面铣刀 高速切削技术在最近的十几年迅猛发展，在各个领域得到广泛的应用，国内 外都对该技术投入了大量的人力，物力，财力进行研究。在这个领域中，高速面 铣刀作为最重要的加工工具之一。大规模的应用于国内外制造业领域。并且由于 高速面铣刀的自身加工优点，可以提高生产效率，降低生产成本。为了满足不同 的加工条件和加工要求j 需要具体研究面铣刀的结构和几何参数。 3 1 1 硬质合金面铣刀结构 硬质合金面铣刀主要用于加工平面和台阶面，根据分类方式的不同，有多种 不同的面铣刀，具体的分类要综合考虑生产和加工要求，如表3 1 所示： 表3 - 1 面铣刀的主要分类 名称分类方式种类 a 类面铣刀 固定方式b 类面铣刀 c 类面铣刀 4 5 。主偏角面铣刀 6 0 。主偏角面铣刀 主偏角 面铣刀 7 5 。主偏角面铣刀 9 0 。主偏角面铣刀 粗齿面铣刀 齿数中齿面铣刀 密齿面铣刀 其它分类方式 山东大学硕十0 ：付论文 ( 1 ) 固定方式分类面铣刀 按照固定方式分类的面铣刀，除了直径极小时候采用带刀柄的结构外，其他 情况下都采用套式结构。按照固定方式分类的面铣刀依据标准分为a 、b 、c 三类， 具体结构如图3 1 所示： a 类面铣刀b 类面铣刀c 类面铣刀 图3 - l 面铣刀的标准固定方式 a 类面铣刀：用一个内六角螺钉将铣刀固定在带端键的传动刀柄上； b 类面铣刀：用一个槽型螺钉将铣刀固定在带端键的传动刀柄上； c 类面铣刀：面铣刀安装在7 ：2 4 锥度的传动刀柄上，再用内六角螺钉将铣刀 固定在铣床主轴上； 其中，a 类面铣刀和b 类面铣刀主要适用于刀盘直径在1 6 0 m m 以下，切削力 不是非常大的情况下，c 类面铣刀主要适用于刀盘直径在1 6 0 m m 以上，重切削的 情况下【5 9 】，实际生产中应根据面铣刀直径和加工条件综合考虑选择采用何种固定 方式【6 0 1 。 ( 2 ) 主偏角分类面铣刀 主偏角指主切削刃与进给方向之间的夹角，在生产加工中，面铣刀的主偏角 主要影响进给力。面铣刀按照主偏角的角度进行分类，一般有4 5 。主偏角面铣刀， 6 0 。主偏角面铣刀，7 5 。主偏角面铣刀和9 0 。主偏角面铣刀等。 4 5 。主偏角面铣刀适用于加工铸铁或铣床主轴悬伸较长的情况下加工，因为 4 5 度主偏角面铣刀的进给力的径向分力和轴向分力基本相等，切削力分布在刀刃 较长的部分，具有良好的抗振性； 6 0 。主偏角面铣刀适用于铣床上的粗加工，因为6 0 。主偏角的面铣刀可以大 幅的降低进给力，显著改善抗振性； 7 5 。主偏角面铣刀是现阶段最常用的面铣刀，因为7 5 。主偏角的刀刃利用性 1 6 第3 章硬质合会面铣刀结构与几何参数分卞j r 相对较高，具有较好的性价比； 9 0 。主偏角面铣刀一般不常见，只是在加工台阶面时使用，并且一般采用三 角形刀片【6 1 1 ，实际生产中根据生产要求选择合适的主偏角，提高生产效率和生产 质量。 ( 3 ) 齿数分类面铣刀 面铣刀的齿数数量影响面铣刀的铣削效率，一般情况下，增加面铣刀的齿数 可以提高面铣刀的铣削效率，但同时会受到加工材料、容屑空间、夹紧结构、机 床功率及刚度等其他因素的影响和限制。实际生产中面铣刀的齿数根据经验公式 选取，一般情况下取偶数。 加工钢件：z ( 面铣刀齿数) = ( o 0 4 o 0 6 ) d o 面铣刀直径 加工铸铁：z ( 面铣刀齿数) = ( o 0 8 - - - 0 1 0 ) d o 面铣刀直径 为了满足不同用户的需求，同一直径的面铣刀一般有粗齿，中齿，密齿三种 类型。 表3 2 面铣刀齿数选择参考表 粗齿面铣刀：主要适用于加工硬度较软的材料，大余量的粗加工和铣削宽度 较大的工件加工；并且当机床功率比较小时，为了使铣削过程稳定，也常常选用 粗齿面铣刀； 中齿面铣刀：一般情况下又称为通用面铣刀。使用的范围最广，具有良好的 金属切除率和铣削稳定性； 密齿面铣刀：主要用于铸铁，铝合金等有色金属的高速切削加工。在现代化 流水线加工中，为了充分的利用设备功率，满足生产节奏的要求，也常选用密齿 面铣刀【6 2 1 。实际生产中一般参考表3 2 选择面铣刀： ( 4 ) 其它方式分类面铣刀 面铣刀在现代生产中还按照许多其他的方式进行分类，比如：由于面铣刀的 转速很高，对其动平衡和切削力提出了比较严格的要求，通常刀齿采用均匀分布 1 7 l i i 力：人7 ：i l 页叶：亨：1 寺论文 的方式，这样在设计和制造阶段很容易达到要求，等齿距面铣刀的特点有： ( 1 ) 刀具结构强度高 ( 2 ) 动平衡性好 ( 3 ) 安全性高 ( 4 ) 应用转速高 除了等齿距面铣刀之外。在实际生产中下，还有不等齿距的面铣刀，不等齿 距面铣刀的特点是： ( 1 ) 切削平稳，噪声小 ( 2 ) 加工精度高 ( 3 ) 刀具寿命高 对高速面铣刀的动态切削力频谱进行分析，可知不等齿