（机械制造及其自动化专业论文）球头立铣刀的参数化设计及有限元分析.pdf

硕十学伊论文 摘要 本文在国内外关于球头立铣刀的设计、分析等方面研究的基础上，应用 p r o e 技术和相关数学理论，研究了球头立铣刀的整体建模，以及参数化系统的 建立，并从球头立铣刀的几何模型着手，建立了一个适用于球头立铣刀铣削的 三维铣削力模型，应用a n s y s 软件对球头立铣刀进行了静力分析和模态分析。 本文的主要研究内容为： 1 通过对传统等螺旋角刃口曲线的模型进行分析，建立了球头立铣刀柱面、 球面上等导程螺旋线的数学模型。并联系实际加工过程，计算出球头立铣刀退刀 槽扫描曲线以及球头部分前刀面成形曲线的数学模型。 2 在p r o e n g i n e e r 上建立了球头立铣刀的三维参数化模型，利用 p r o t o o l k i t 对p r o e n g i n e e r 系统进行了二次开发，设计了球头立铣刀参数化系统 的系统菜单，对话框程序，并进行了程序的编译和链接，编写了注册文件，并且 最终通过生成不同参数的球头立铣刀模型验证了程序的正确。 3 从球头立铣刀的几何模型着手，将球头立铣刀刀刃进行离散化处理，利 用常规铣削力经验公式，建立一个适用于球头立铣刀的三维铣削力模型。并利 用a n s y s 有限元软件对球头立铣刀进行静力分析，模态分析。校核所设计铣刀 的应力，并将得到的固有频率与立铣刀在外力作用下的振动频率相比较，避免 发生共振现象。 本文的研究成果将大大改善高精度数控球头立铣刀的设计方法，缩短刀具 的设计周期，从而快速响应市场的需求。同时本文开发的球头立铣刀参数化设 计系统也为其他类似的刀具设计的研究提供参考。 关键词：球头立铣刀；数学模型；p r o 厂o o l k i t ；参数化设计；切削力模型； 有限元分析 球火立铣刀的参数化设汁及有限元分析 a b s t r a c t i nt h i sp 印e r ，ai n t e m a la i l de x t e m a la n a l y s ea n dr e s e a r c ha b o u t d e s i g na l l da n a l y s i so f t h eb a l l e n dc u t t e ri sr e v i e w e d t h ep r o et e c h n o l o g ya i l dm a t l l e m a t i c a lt h e o r i e sa r eu s e dt o e s 切【b l i s ha3 dm o d e la n dp a r a m e t r i cd e s i g l ls y s t e mf o rm eb a l l e n dc u _ n e r b a s e do nt 1 1 e g e o m e t r i cm o d e l ，a 衄e ed i m e n s i o n a lm o d e lo fi i l i l l i n gf o r c ef o rt h eb a l l e n dc 蚍e ri s e s t a b l i s h e db yt h ec u t t i n ge m p i r i c a le q u a t i o n s u s et h ea n s y s s o 厅w a r e ，as t a t i ca n a l y s i s a n dm o d a la n a l y s i si sf i n i s h e do nt h eb a l l - e n dc u t t e r t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 b yt 1 1 e t r a d i t i o n a l a n a l y s i s o ft h ee q u a lh e l i ) 【a i l g l ee d g ec u r v em o d e l ，a m a t l l e m a t i c a lm o d e lo ft h ee q u a ls p 衲l l e a di se s t a b l i s h e d0 n 廿l ec y l i n d e ra i l ds p h e r eo fm e b a l l e n dc 嘣e r w i t hp r a c t i c ea n d p r o c e s st oc a l c u l a t et h eb a l l e n dc u 骶rm f eg r o o v eb a c k ， a u s 、e na ss c 猢i n gc u eb a l lc u r v ef o m l i n gp a i r to ft l l en a j l ko ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l 2 ap a r a m e t r i c3 dn l o d e lo fm eb a l l - e n dc u t t e ri se s t a b l i s h e db yp r o e n g i n e e r s y s t e m t h es y s t e mm e 删a j l dd i a l o gp r o g r a mo fm ep a r 锄e t r i cs y s t e mo ft l l eb a l l e n dc u n e r i sd e s i g n e db yu s i n gp r 0 t o o l k i t c o m p i l ea n dl i r l l ( t 1 1 ep r o g r a m ，w r i t et l l er e g i s t r a t i o n d o c u m e n ta n dt h r o u g ht h eg e n e r a t i o no fd i f 氨三r e n tp a r ：u n e t e r so ft h eb a l l - e n dc u t t e rm o d e lt o v e r i 矽t h ec o r r e c tp r o c e d u r e s 3 b a s e do nt h eg e o m e t r i cm o d e la n dd i s c r e t i z a t i o no ft h em i l l i n gc u t t i n ge d g e ， a3 dm o d e lo fm i n gf o r c ef o rb a l l n o s ea n dm i l li se s t a b l i s h e db yt h ec u t t i n g e m p i r i c a le q u a t i o n s u s et h ea n s y ss o f t w a r e ，as t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i s i s6 n i s h e do nt h eb a l l e n dc u t t e r c u t t e rd e s i g n e db yc h e c k i n gt h es t r e s s ，a n dw i l lb e t h en a t u r a lf | r e q u e n c yo fe x t e r n a lf 0 r c ea n dt h ec u t t e ri nt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y c o m p a r e dt oa v o i dt h ep h e n o m e n o no f r e s o n a n c e i n t h i sp a p e r ，t h er e s u l t so fr e s e a r c hw i l lg r e a t l yi m p r o v et h eh i g h - p r e c i s i o n c n cb a l l - e n dc u t t e rd e s i g nw a y st os h o r t e nt h ed e s i g nc y c l et o o lt oq u i c k l yr e s p o n d t om a r k e td e m a n d a tt h es a m et i m e ，t h i sa r t i c l ed e v e l o p e dt h eb a l l - e n dc u t t e r p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mi s a l s os i m i l a rt oo t h e rr e s e a r c ht o o ld e s i g n e dt op r o v i d e r e f e r e n c e k e yw o r d s ：h e l i c a lb a - e n dc u t t e r ； m a t h e m a t i c a lm o d e l ；p r o t o o l k i t ； p a r a m e t e r sd e s i g n ； m i l l i n gf o r c em o d e i ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 硕十学位论文 插图索引 图2 1 螺旋刃球头立铣刀外形1 0 图2 2 螺旋运动的速度分解1 2 图2 3 柱面上等导程螺旋线13 图2 4 “s 形刃与主刃相切1 3 图2 5 球面上等导程螺旋线1 4 图2 6 前刀面的成形运动1 5 图2 7 刃磨前刀面位置调整参数计算1 6 图3 1 基于三维模型的参数化设计原理图1 8 图3 2 球头立铣刀参数19 图3 3 周刃螺旋槽辅助曲线图2 0 图3 4 周刃螺旋槽曲面扫描过程2 l 图3 5 周刃退刀槽曲面模型2 2 图3 6 球头部分螺旋主沟槽曲面2 3 图3 7 周刃后刀面2 4 图3 8 球头部分后刀面2 5 图3 9 球头部分副沟槽曲面2 6 图3 10 球头立铣刀刀刃曲面组合2 7 图3 1 l 曲面合并后的球头立铣刀2 7 图3 1 2 球头立铣刀实体图2 7 图3 13 球头立铣刀“s ”刃形图2 8 图3 1 4 消息文件内容及含义2 8 图3 1 5 参数化系统菜单2 9 图3 1 6 参数化系统的人机交互界面3 3 图3 17 设置包含文件路径和库文件路径3 6 图3 1 8 设置链接所需库文件3 7 图3 1 9p r o e 加载程序过程3 8 图3 2 0 不同参数的球头立铣刀模型对比3 8 图4 1 球头立铣刀离散分层模型一4 0 图4 2 球头立铣刀单层切削模型4 1 图4 3 球头立铣刀的网格图4 5 图4 4 球头立铣刀的约束模型4 5 球义市铣刀的参数化设计及有限元分析 图4 5 幻= 3 咖，伽0 1 咖z ，n = 5 0 0 0 r m i n 时球头立铣刀变形量分布4 6 图4 6 球头立铣刀一阶振型图4 9 图4 7 球头立铣刀二阶振型图4 9 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 马以摒日期：w 年乡月 2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 多月 2 日 多月日 硕十学何论文 1 1 引言 第1 章绪论 在当今制造业的快速发展中，切削加工起着十分重要的作用。现代切削刀具 在推进制造技术进步和提高企业加工效率、降低制造成本等方面发挥了重要的作 用【l 】。其中，球头立铣刀作为一种高性能的自由曲面加工刀具，其性能和品质的 优劣对于切削加工的精度、效率和产品品质都有直接而重要的影响。球头立铣刀 刀具与数控机床或加工中心配合可以实现高效率、高质量的加工，在模具、汽车、 航空航天、机械电子等制造领域应用广泛。 现代刀具设计、制造技术是机械制造与设计的重要技术之一。它已逐步发展 成集数学理论、计算机应用技术、现代设计方法等为一体的高新技术产业【2 】。随 着数控加工技术的不断精进，加工对象也日趋复杂，对于加工复杂曲面的特种回 转面类型的刀具如球头立铣刀等高精度、高性能刀具的需求也与日俱增。 国外较我国在刀具方面的研究起步早、投入成本高，在刀具设计与制造方面 储备了大量的经验和技术。中国市场在高精度数控刀具领域，起步比较晚，目前 总的来说技术的水平还比较低。为了缩小与发达国家的差距，国内一些企业购进 国外先进设备，直接购进国外成品毛坯，自主生产和制造。此种方式是拉近与国 外优质刀具差距的一种方式。但是，这种方式也只能是短期效益，产品的核心技 术和高附加值仍然被设备提供方和毛坯供货方垄断。因此，利用引进的新技术， 进一步加强研究与应用，掌握现代产品制造的先进技术，使技术理论化，是振兴 我国刀具行业主要的路径之一1 3 】l4 1 。在对球头立铣刀刀具方面，加强对球头立铣 刀的设计与制造理论的研究，开发出属于自己的刀具设计软件，是实现此类刀具 国产化的重要途径。 1 2 球头立铣刀的特点及种类 球头立铣刀属于像其他端面立铣刀、旋转锉等外形复杂的回转面类型的刀具。 它在精加工刀具中占有很大的比例，被广泛用于航空、汽车、船舶制造工业及铸 造、塑料成型、医疗器材或工艺美术品加工等多种行业。它也是复杂三维曲面精 加工中所用到的重要刀具之一，其独特的刃形( s 形、螺旋型) 使得球头立铣刀的 加工精度高，刀具寿命长、并且可以轴向进刀，它满足了对复杂空间曲面自动加 工的需要。 球头立铣刀的制造一般都是采用磨制加工，其螺旋沟槽也有通过轧制成形的。 它的形状和性能特点决定了其成形方法与通常的按形面精确去除金属的铣削加工 球头立铣刀的参数化设汁及有限兀分析 的区别。同时，它的几何建模和加工成形理论也有自己的特点。由于球头立铣刀 的尺寸比较小，刃型复杂，且需要在走刀中由砂轮直接刃磨出刀具的齿槽，并保 证加工后的刀刃形状符合要求，即球头刀刃必须在球面上，同时前刀面和后刀面 也要达到一定的要求，这必然会使球头立铣刀的成形过程和加工方法都比较复杂， 设计与制造也比较困难。所以目前这种刀具在国内主要依靠进口或者通过进口昂 贵的加工设备来进行制造与生产。 球头立铣刀属于模具铣刀，它可分为圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀 两种。圆柱形球头立铣刀由球头与圆柱两部分组成，而锥形球头立铣刀由球头、 圆锥与圆柱三部分组成。它们的结构特点是球头上布满切削刃，圆周刃与球头刃 圆弧连接，可以作径向和轴向进给。球头立铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制 造。 球头立铣刀根据其刀刃曲线形状的不同，又可分为直线刃、螺旋形刃等【5 “。7 1 。 直线刃是早期的球头立铣刀形状，其特点是：沿刀具轴向看，球头部分的切削刃 为直线。这种铣刀在切削过程中排屑不畅、易形成积屑瘤、影响表面光洁度及精 度、磨损快。目前己很少使用这种刃形的球头立铣刀，随着刀具设计与制造技术 的不断提高，刀刃形状己逐渐改进成螺旋形的曲线。其中等螺旋角螺旋形刀刃由 于刃形为s 形，使得切削的均匀性有很大的提高，改善了切削条件，从而提高了加 工质量和延长了刀具的寿命。但是，由于等螺旋角刀刃曲线无法达到球头的顶部， 因此它必须在靠近球头的顶部处利用其他刃口曲线来代替，这样必然使得刃口曲 线变得复杂化，也影响了基于该刃口曲线的球头立铣刀前刀面和后刀面的设计与 制造。 1 3 球头立铣刀的国内外研究现状 早期的球头立铣刀的球头部分的切削刃为直线，即直线刃球头立铣刀。随后 为改善直线刃球头立铣刀的性能，日本的研究者研制出了切削刃为曲线的球头铣 刀，它是以圆锥面为前后刀面，以圆锥与球面的交线为切削刃。但由于其自身结 构的局限性，它不能在任意方向进刀。基于这种情况，国外的研究者又设计出了 螺旋形( s 形) 的可以沿任意方向进刀的球头立铣刀，它实现了传统结构的突破，具 有较好的性能。随后，国内外的研究机构与学者开始对螺旋形的球头立铣刀的数 学模型与切削力模型进行了较为广泛的研究。 y a ltin t a ，s e n g i n 等人通过定义刃口曲线与铣刀轴线的夹角为球头立铣刀 刃口曲线的螺旋角的方式来进行刀刃的设计【8 m 1 ：同时他们提出了如果螺旋角为 定值时，在球头立铣刀设计与制造时会产生的问题，并对模型进行了优化或重建 1 ：s k k a n g ，k f e h m a n 等人通过设计沟槽截形来研究球头立铣刀的螺旋沟槽的 模型【12 1 。y u c e s a n 【13 】【1 4 1 等基于微分几何理论研究了球头刀刃的几何模型，给出了 2 硕十学何论文 刀刃微元前、后刀面与切削力相关的各几何向量，局部切削力模型被表示为前、 后刀面上正压力与摩擦力的矢量和，建立的表达式系数可根据试验数据用最小二 乘法求得。j a i n 等【l5 】基于二维坐标系下的切削数据对切削力进行了计算，建立了 球头铣刀的切削力模型。该模型是在对球头铣刀斜面的切削刃外形进行分析，将 球头铣刀的切削刃离散为微元，并假设参与切削的每一微元切削刃均为直齿的条 件下建立的。y a n g 等【l6 】首次运用二维坐标系的概念对球头铣刀进行了研究，将切 削刃离散成微小单元，作用于刀具上的总铣削力则等于对所有参与切削的微元切 削刃的切削力求和。1 9 9 4 年，f e n g 【1 7 】【1 8 1 等根据近似的铣刀刃线方程( 将圆柱铣刀 上的螺旋刃投影到半球面上) ，采用幂函数形式的非线性局部铣削力模型，建立了 球头铣刀存在偏心和倾斜时的铣削力仿真模型。此外，f e n g 等还提供了一个经实 验验证的铣削力模型，该模型澄清了一种误解：球头铣刀球头部分的切削结构可 以用不同直径的平面端铣模型来描述。许多学者在以后的研究工作中都采用了 f e n g 的方法。2 0 0 4 年，g y um a nk i n 等【1 9 】针对球头铣刀提出了一个用切削力图来 预测平均切削力的方法。 国内也对球头立铣刀进行了研究。国内一些高校如湖南大学、佳木斯大学、 哈尔滨工业大学等不少的学者对球头立铣刀的模型设计与磨削加工提出了很多有 价值的观点。国内的研究包括有以下几个方面： ( 1 ) 球头立铣刀形状的设计与模型建立。包括刀刃曲线建模、前后刀面几何模 型、铣刀沟槽螺旋面建模等。文献 2 0 2 1 对铣刀槽型端截形、法截形设计进行 了比较完整的分析，得到了典型的刀槽截形模型。文献 2 2 2 3 讨论了回转面刀 具上的等螺旋角和等导程刀刃曲线的设计计算方法，该方法也适用于球头立铣刀。 文献 2 4 2 5 导出了球头螺旋线方程式，并解决了球头立铣刀顶部平面刀刃曲线 与螺旋刃的光滑连接问题。文献 2 6 提出了一种运动关系简明、刃磨加工调整参 数较少的球头立铣刀前刀面加工数学模型。文献 2 7 2 9 建立了s 形单刃球头立铣 刀内、外前刀面及螺旋、平面后刀面的数学模型。 ( 2 ) 球头立铣刀的切削力模型及有限元分析的研究。文献 3 0 基于切削力与切 屑负载之同的经验关系，通过对球头铣刀的微分化方法，建立了球头铣刀基本切 削力模型。文献 3 1 采用微分化方法建立了球头铣刀切削力数学模型。通过对球 头铣刀铣削微元切削层参数的描述，分析了切削层厚度对球头铣刀主切削力的影 响。文献 3 2 在考虑刀具的瞬时变形和刀具变形的再生反馈对切削厚度的影响的 基础上，建立了包含主轴偏心、刀具磨损、刀具振动和工件振动的球头铣刀动力 学模型。文献 3 3 通过建立刀具刃口曲线的空间模型，然后从理论出发分析离散 单元的铣削力的变化，最终建立了一个适用于球头铣刀铣削的三维铣削力模型。 文献 3 4 在b a y o u m i 的广义螺旋铣刀几何模型基础上，建立了小直径螺旋球头铣刀 的刀具前刀面几何模型和切削力模型，通过将特征概念引入数控加工过程，提出 球头市铣刀的参数化设汁及有限元分析 了球头刀加工时的“爬坡”与“下坡 等加工特征的切削力模型求解方法。 从球头立铣刀相关的研究可以看出，尽管国内外不少学者对其进行了不少研 究，但研究结果过于零散、缺乏系统性。部分文献仅研究球头立铣刀的刃口曲线， 或前刀面，或后刀面，或简单的沟槽构造的设计，另一部分文献只对模型的一小 部分建模与分析，并未做整个设计模型与分析。对球头立铣刀的研究，目前尚未 形成成熟的、统一的球头刀具的刃形设计理论，在一些刃形设计问题上甚至各执 一词。在实际运用中，也存在各种各样的刀刃曲线，这些曲线往往只是凭经验或 根据加工设备的加工能力来设计的，缺乏系统的、有效的理论分析和指导。 球头立铣刀模型的设计和分析仍然是国内待解决的技术问题。本文在国内外 关于球头立铣刀的设计、分析等方面研究的基础上，应用p r o e 技术和相关数学理 论，研究了球头立铣刀的整体建模，以及参数化系统的建立，并从球头立铣刀的 几何模型着手，建立了一个适用于球头立铣刀铣削的三维铣削力模型，应用a n s y s 软件对球头立铣刀进行有限元分析。从而建立比较完善的球头立铣刀的设计、分 析理论。 1 4 三维参数化建模与有限元分析软件 1 4 1 参数化建模软件及二次开发方法的选择 目前我国c a d 市场上比较流行的三维c a d 软件有p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，e d s 公司的u g ，s 0 1 id w o r k s 公司的s o l i d w o r k s ，a u t o d e s k 公司的a m d 和s d r c 公司的 i d e a s ，这些软件在功能上都是比较出色的，也都提供了各自的二次开发接口。从 己有的资料来看，国内对p r o e n g i n e e r 和u g 的二次开发研究得较多，己有不少论 文发表。本文拟采用p r o e n g i n e e r 软件系统进行球头立铣刀的建模，并用 p r o t o o l k i t 与v c + + 结合，进行c a d c a m 集成系统的二次开发。 1 4 1 1p r o ，e n g l n e e r 简介 p r o e n g i n e e r 软件是美国参数技术公司( p t c ) 的重要产品。在目前的三 维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械c a d c a e c a m 领域 的新标准而得到业昴的认可和推广，是现今最成功的c a d c a m 软件之一。与 其他同类的三维造型软件相比，p r o e n g i n e e r 具有以下技术特点： 1 全相关性( f u l la s s o c i a t i v i t y ) p r o e n g i n e e r 各模型建立在一个真正统一的数据结构上，各个模块之问是全 相关的，如该系统处理三维实体、二维工程图、截面图、总装配以及在分析、仿 真、加工零件的工艺规程等各类数据时是严格一体化的，设计人员可以在任何一 个环节对不满意的模型尺寸进行修改，同时修改后的尺寸都会反映到从设计到加 工的各个过程，以确保所有零件和多个环节的数据一致性。 4 硕十学何论文 2 实体造型( s o l i dm o d e l i n g ) 在产品设计过程中，与传统的计算机辅助设计相比，p r o e n g i n e e r 设计产品 是基于三维实体的而非传统的孤立的二维点、线、面：在p r o e n g i n e e r 中模型是由 一些工程特征组合而成的，而非绘制( d r a w n ) 而成的。它可以在完成实体造型后再 按照严格的投影关系产生三视图和其它需要的辅助视图，因而生成的二维工程图 几何上是无错误的。 3 基于特征的参数化建模( f e a t u r e - b a s e dp a r a m e t r i cm o d e l i n g ) 特征造型被公认为是目前几何造型的发展趋势，在p r o e n g i n e e r 中，实体模 型都是由一些工程特征组合而成的。该系统的p r o f e a t u r e 模块提供了拉伸、旋转、 扫描、孔、槽、扭曲、圆角、倒角、抽壳、拔模斜度、管道和变截面扫描等众多 的特征和特征构造方法，这些都为用户提供了设计复杂形状曲面或实体模型的强 有力工具，另外，p r o e n g i n e e r 还允许用户自己定义特征u d f ( u s e rd e f i n e f e a t u r e ) ，用户可以通过它建立自己的特征库。 4 数据库再利用( e n g i n e e rd a t ar e u s e ，e d r ) 工程数据库再利用可以让使用者快速生成整个产品系列。例如，在完成一个 零件设计之后，可以使用f a m i l yt a b l e ，将零件的尺寸、特征等设为变量，然后 给这些变量赋值，就可以生成结构与原始零件基本相同，但尺寸或某些特征不同 的新零件。 1 4 1 2p r o t 0 0 l k i t 与v c + + 混合编程 p r o t 0 0 l k i t 是美国p t c 公司为p r o e n g i n e e r 软件提供的开发工具包，其主要 目的是让用户或第三方通过v c 程序代码扩充p r o e n g i n e e r 系统的功能，开发基于 p r o e n g i n e e r 系统的应用程序模块，从而满足用户的特殊要求。不仅如此，还可 以利用p r o t o o l k i t 提供的u i 对话框、菜单以及v c 的可视化界面技术，设计出方便 实用的人机交互界面，从而大大提高系统的实用效率。 p r o t o o l k i t 工具包提供了开发p r o e n g i n e e r 所需的函数库文件和头文件，使 用户编写的应用程序能够安全地控制和访问p r o e n g i n e e r ，并可以实现应用程序 模块与p r o e n g i n e e r 系统的无缝集成。 在p r o e n g i n e e r17 版本及该版本以前，p t c 公司提供的开发工具是 p r o d e v e l o p ，从p r o e n g i n e e r1 8 版本起，p r o e n g i n e e r 系统的开发环境采用 p r o t 0 0 l k i t 。p r o t o o l k i t 支持在w i n d o w s2 0 0 0 n t x p 操作系统中使用c 和c + + 语 言设计程序，采用m ic r o s o f tv is u a lc + + 6 0 作为编译器和连接器，并可以在 m i c r o s o f tv is u a lc + + 6 0 的集成环境下完成程序的设计、调试和编译。 总的来说，p r o t 0 0 l k i t 应用程序有两种工作模式，一种为同步模式 ( s y n c h r o n o u sm o d e ) ：另一种为异步模式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 。 球头寺铣刀的参数化设i _ 卜及有限元分析 同步模式包含两种模式，即动态连接库( d l l 模式) 和多进程模式 ( m u l t i p r o c e s sm o d e ) ，分述女日 ；： 动态连接库模式是将p r o t 0 0 l k i t 应用程序集成到p r o e n g i n e e r 中的标准方 法。用户编译c 应用程序，与p r o t 0 0 l k i t 库连接，这种方法称为d l l 模式。 多进程模式，也称为派生模式，是p r o t o o l k i t 支持的第二种将应用程序和 p r o e n g i n e e r 集成方法。在这种模式下，应用程序代码经过编译和连接，生成独 立的执行文件。该文件由p r o e n g i n e e r 派生，并作为p r o e n g i n e e r 的子进程运行。 两种模式的比较： 在d l l 模式下，p r o t 0 0 l k i t 应用程序集成到p r o e n g i n e e r 的信息交换是通过 直接函数调用实现的：在多进程模式下，信息交换是由进程之间消息系统完成的， 该系统模拟直接函数调用，在两个进程间传递函数的识别信息及其参数。 多进程模式包含比d l l 模式更多的交换过程，当p r o t 0 0 l k i t 应用程序需要频 繁调用库函数时，情况更是如此。多进程模式的优点在于，能够用源代码调试器 运行p r o t o o l k i t 应用程序，无需将整个p r o e n g i n e e r 执行程序加载到调试器中。 在一个p r o e n g i n e e r 会话中，可以运行多个p r o t 0 0 l k i t 应用程序，并能综合 使用各种模式。如果为了调试方便，在开发阶段使用多进程模式，在为客户安装 应用程序时，需要转化为d l l 模式，因为d l l 模式的性能更好，在转换时需要仔细 测试程序，因为在不同模式下，错误的表现形式不同。 在同步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序和p r o e n g i n e e r 产生各自的进程。每个 进程都能发送消息( 请求) ，请求执行某个操作之后每个进程都在等待返回消息， 以报告操作的完成。控制权在两个进程之间交换，总有一个进程处于等待状态。 因此多进程模式虽然包含两个并行运行的进程，但是这些进程不提供真正的并行 处理。 在异步模式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 下，p r o t 0 0 l k i t 应用程序和p r o e n g i n e e r 能够并行，也就是说能够同时进行各自的操作。在应用程序与p r o e n g i n e e r 的通 信方面，异步模式采用远程程序调用( r p c ) 方式。 异步模式与同步模式的另一个主要区别在于p r o t 0 0 l k i t 应用程序的启动：在 异步模式下，应用程序( 包含自己的m a in ( ) 主函数) 能够独立于p r o e n g in e e r 而启 动，然后启动p r o e n g i n e e r 或与正在运行的p r o e n g i n e e r 进程连接：而在同步模式 下，p r o e n g i n e e r 根据注册文件的信息启动应用程序1 3 9 】。 根据所开发的异步模式应用程序对来自p r o e n g i n e e r 信息的处理不同，异步 模式可分为简单异步模式( s im p lya s y c h r o n o u sm o d e ) 和完整异步模式( f u l l a s y n c h r o n o u sm o d e ) 。简单异步模式不能处理来自p r o e n g i n e e r 的请求信息，亦 即p r o e n g i n e e r 不能调用程序p r o t o o l k i t 的函数。在完全异步模式下，则 p r o t 0 0 l k i t 能够处理来自p r o e n g i n e e r 的信息，也就是晚，p r o e n g i n e e r 能够调 6 硕十学何论文 用p r o t 0 0 l k i t 中的函数。 p r o t o o l k i t 的异步模式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 提供了真正的并行处理功能。 异步模式和同步模式有着本质的区别。由于异步模式使用了远程调用，程序的运 行要比同步模式下慢得多，而且比较复杂。在本论文中采用动态链接库模式( d l l 模式) 进行球头立铣刀的参数化系统的二次开发。 1 4 2 有限元分析软件的选择 工程计算中，由于传统的计算方法不仅经常因人为计算疏忽造成错误外，而 且，将几何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果与实际上有极大的出入， 因此参考价值有限。有限单元法正是基于工程的实际需要而产生的。有限元法是 将结构细分成有限个单元，每个单元以节点相连，两相邻单元共用节点的位移、 斜率、曲率必须一致，而两节点之间的位移则同节点位移和变形函数相关。将载 荷作用于节点，不论结构多么复杂，利用有限元法将其离散化，建立的方程式均 为统一的矩阵形式。 有限元是在电子计算机的基础上发展起来的，仅仅了解有限元法的原理和解 题步骤，如果没有电子计算机的计算程序，那是解决不了实际问题的。目前流行 的分析软件主要有s a p ，a d i n a ，a s k a ，n a s t r a n ，a n s y s 等。 s a p ( s t r u c t u r a la n a l y s i sp r o g r a m ) 一一结构分析程序。它由美国贝克莱 加利福尼亚大学研制，该程序可处理空间桁架，刚架，平面应变，平面应力， 轴对称，等参元，薄板，薄壳，三维固体，厚壳，管单元等问题，它的功能有 信息处理，静力分析，动力分析，绘图，带宽优化，计算几何刚度等。 a d i n a ( af i n i t ee 1 e m e n tp r o g r a mf o ra u t o m a t i cd y n a m i ci n c r e m e n t a l n o n l in e a ra n a l y s is ) 一一自动动力增量非线性分析有限元程序。它是由美国麻 省理工学院机械工程系研制。单元库中有梁，平面，板壳，三维块体，轴对称， 厚板( 壳) 等单元。它可处理非线性问题，与温度有关的问题。 a s k a ( a u t o m a t i cs y s t e mk i n e m a t i ca n a l y s i s ) 一一自动动力分析系统。它 是由德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制。 n a s t r a n ( n a s as t r u c t u r a la n a l y s is ) 一一n a s a 结构分析程序。它由美国国家 航空和宇宙局研制。它可供各种结构分析之用。其功能包括热力分析，瞬态载荷 与随机激振的动态响应分析，实特征值与复特征值计算，以及稳定性分析，还有 一定的非线性分析能力，可用与计算机系统。 a n s y s 一一a n s y s 公司开发的有限元软件，既有适用于工作站的版本也有适 用于个人计算机的版本。是集结构、流体、电场、磁场、声场、热分析于一体 的大型通用有限元分析软件。 在众多可用的通用和专用有限元软件中a n s y s 是最为通用有效的商用有限 7 球头直铣刀的参数化设计及有限元分析 元软件之一，在多次用户调查中，a n s y s 都名列前茅。a n s y s 软件从7 0 年代至 今，经过3 0 多年的发展，己经成为能够紧跟计算机硬，软件发展的最新水平， 功能丰富，用户界面友好，前后处理和图形功能完备的，使用高效的有限元软 件系统。它拥有丰富和完善的单元库，材料模库和求解器，保证了它能够高效 的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳定和瞬态热分析 及热一一结构耦合问题，静态和时变电磁场问题，压缩与不可压缩的流体力学 问题，以及多场耦合问题；它的友好的图形用户界面和程序结构使用易学易用； 它的完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型，生成 有限元模型以及分析和评价计算机结果的工作量；它的统一和集中式的数据库， 保证了系统各个模块之间的可靠和灵活的集成，它的d d a 模块实现了它与多个 c a d 软件( 例如p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、u n i g r a p h i c s 和i d e a s 等) 产品的有效连 接，能实现数据的共享和交换；a n s y s 系统的各种产品和适应于各种计算机系统 平台的版本，为用户提供了各种可能的选择。a n s y s 公司的不懈努力，已经使 a n s y s 成为计算机辅助工具( c a e ) 和工程数据模拟的最有效的软件，成为当代 c a d c a e 主流产品之一【4 。 由于球头立铣刀模型比较复杂，而p r o e 自带的p r o m e c h a n i c a 有限元分析模 块软件有其自身的局限性，无法对二齿球头立铣刀进行有限元分析。同时由于 a n s y s 软件能够与p r o e n g i n e e r 软件问实现数据的共享和交换，所以本文采用 a n s y s 软件进行分析。 1 5 课题意义和研究内容 1 5 1 课题意义 本文选取了“球头立铣刀参数化设计及有限元分析”作为研究课题。本课 题以解决球头立铣刀设计中的参数化建模和铣削力分析方面的问题为目的，其 主要意义在于： 1 建立球头立铣刀的完整的数学模型，使得球头立铣刀的刃形设计理论更 加系统化。 2 根据球头立铣刀的数学模型及相应的p r o e 技术对球头立铣刀进行参数 化建模，从而缩短刀具的设计周期，快速响应市场的需求。 3 建立球头立铣刀的切削力模型，实现球头立铣刀切削力的预报，并对球 头立铣刀的设计进行校核，使设计出来的产品能适应市场的需求。 1 5 2 课题的研究内容 在国内外关于球头立铣刀的设计、分析等方面研究的基础上，以计算机软件 和相关数学、力学理论为手段，对球头立铣刀的参数化系统和有限元分析进行研 8 硕十掌何论文 究。论文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 通过对传统等螺旋角刃口曲线的模型进行分析，建立了球头立铣刀柱面、 球面上等导程螺旋线的数学模型。并联系实际加工过程，计算出球头立铣刀退刀 槽扫描曲线以及球头部分前刀面成形曲线的数学模型。 2 以球头立铣刀的建模曲线模型为基础，在p r o e n g i n e e r 上建立了球头立铣 刀的三维参数化模型。并利用p r o t o o l k i t 对p r o e n g i n e e r 系统进行二次开发，建 立了球头立铣刀参数化系统。 3 从球头立铣刀的几何模型着手，将球头立铣刀刀刃进行离散化处理，利用 常规铣削力经验公式，建立一个适用于球头立铣刀的三维铣削力模型。并利用 a n s y s 有限元软件对球头立铣刀进行静力分析，模态分析。从而校核所设计铣刀的 应力，并将得到的固有频率与立铣刀在外力作用下的振动频率相比较，从而避免 发生共振现象。 1 6 本章小结 本章介绍了球头立铣刀的特点和种类，主要阐述国内外对球头立铣刀的研究 现状，论述了参数化建模软件及二次开发方法，以及有限元理论和有限元分析软 件的选择，并说明了课题的研究目的、意义以及研究的主要内容。 9 球义寺铣刀的参数化设计及有限元分析 2 1 引言 第2 章球头立铣刀的设计 对于建立一般刀具的模型，传统的方法都是遵循“刀具表面模型一前刀面模 型一刀刃曲线模型一后刀面模型”的路线，而在回转刀具如球头立铣刀的数控磨 削中，必须建立一种基于刀刃曲线的前刀面及后刀面模型。这一方面是因为在回 转刀具的数控磨削中砂轮对前、后刀面的加工是一种近似加工，只能以理想的刀 刃曲线作为确定砂轮刀位轨迹的约束条件，另一方面在数控磨削加工中砂轮的刀 位轨迹由一系列离散的刀位点组成，而并不一定是某一连续运动轨迹的离散。由 于这一点，同时也由于加工中砂轮表面对前( 后) 刀面的干涉，实际加工表面并不 一定是连续的螺旋面。因此，本文采用刀刃曲线的数学模