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摘要 整体硬质合金立铣刀c a d 技术研究 摘要 高速加工成为制造业主要发展趋势之一，在航空航天领域得到了广泛的应用， 这对刀具设计提出了越来越高的要求。提高刀具性能、质量和可靠性，缩短设计 周期，降低设计成本成了提高刀具企业竞争力的重要手段。将c a d 技术与传统刀 具设计技术相结合，建立整体硬质合金立铣刀的通用化三维设计平台，能够弥补 传统设计方法上的一些不足，更好的满足设计要求。 本文根据c a d 建模需求的特点对整体硬质合金立铣刀进行了分类，归纳了整 体立铣刀参数化建模所需参数间的几何拓扑关系，对不同种类的硬质合金立铣刀 几何特征进行准确的数学描述，建立了适用于软件开发的整体立铣刀数学模型。 针对刀具设计研究了已有刀具的重用、变形设计和全新刀具设计三个问题， 对标准件库为基础的实例重用、k b e u g k f 技术和基于u g 的二次开发技术这三 部分内容进行了详细研究，建立了包含标准刀具库检索、k b e a j g k f 技术建模和 u gn xo p e n 技术建模在内的整体立铣刀设计的集成方案，为系统的开发奠定了理 论基础。 利用开发工具v i s u a ls t u d 【i o2 0 0 8 和s q ls e r v e r2 0 0 5 ，开发了基于u g 的整体 立铣刀三维设计软件系统。通过a d o n e t 数据库连接技术，利用数据库软件的存 储过程来完成复杂的数据处理过程，实现u g 、软件系统与数据库的数据连接；应 用k b e u g k f 技术，实现了硬质合金立铣刀的智能化设计；系统开发过程中应用 了u gn x 提供的n xo p e n 技术，通过在微软的n e t 中的c 拌中调用c o m m o n a p i ， 实现u gn x 的二次开发，生成了动态链接库文件。通过软件系统，能够实现硬质 合金立铣刀的实例检索、参数计算、辅助设计、三维建模、二维图生成以及加工 仿真等功能。 关键词：立铣刀；c a d ；数学模型；二次开发 c a d t e c h n o l o g i e sf o rs o l i dc a r b i d ee n dm i l l a bs t r a c t h i g h 。s p e e d m a c h i n i n g ( h s m ) p l a y s a n i m p o r t a n tr o l e i nm o d e r n m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，w h i c hi sw i d e l yu s e di na v i a t i o ni n d u s t r ya n ds oo n t h i sl e a d st ot h es t r i c tq u a l i t y r e q u i r e m e n t so ft o o ld e s i g n i ti sas i g n i f i c a n tw a y t o i m p r o v e t h e c o m p e t i t i v ec a p a c i t yo fac o m p a n yt h a t d e v e l o p i n g t h e p e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo ft o o l s ，s h o r t e n i n g d e s i g n p e r i o da n d l o w e r i n gd e s i g nc o s t b a s e do nt h ec o u p l eo ft h ec a d t e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a l t o o ld e s i g nt e c h n o l o g y , ac o m m o n3d d e s i g np l a t f o r mo fs o l i dc a r b i d ee n dm i l l s i sg e n e r a t e di no r d e rt om i xs o m eg a p sw i t h i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ，a s w e l la st om e e tt h er e q u i r e m e n ti nm a c h i n e d e s i g n t h es o l i dc a r b i d ee n dm i l l sa r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f c a d m o d e l i n g f u r t h e r m o r e ，t h eg e o m e t r i c a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n sw i t h i nt h e p a r a m e t e r su s e di ns o l i dc a r b i d ee n dm i l l sp a r a m e t r i cm o d e l i n ga r ei n d u c e d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sw h i c ha r cs u i t a b l ef o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n th a v eb e e n e s t a b l i s h e d as o l u t i o nf o rt h es o l i dc a r b i d ee n dm i l l si s p r o p o s e d b a s e do ns t a n d a r d p a r tl i b r a r y , c a s e - b a s e dr e a s o n i n gt e c h n o l o g y ，k b e u g k ft e c h n o l o g ya n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y ，t h ei n t e g r a t e ds c h e m ef o rt h es o l i dc a r b i d e e n dm i l l si s e s t a b l i s h e d ，w h i c hc a ni m p r o v ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft o o l d e s i g n b a s e do nu gv i s u a ls t u d i o2 0 0 8a n ds q ls e r v e r2 0 0 5 ，t h es o l i dc a r b i d e e n dm i l l sd e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e d t h ec o m p l i c a t e dd a t at r e a t m e n tc a nb e p r e c e d e db yt h ed a t a b a s e s o f t w a r ea n dt h el i n k i n gt e c h n o l o g yo fa d o n e t , w h i c hi st or e a l i z et h el i n kb e t w e e nu gs y s t e m a n d d a t a b a s e b yu s i n g k b e u g k ft e c h n o l o g y , t h ei n t e l l i g e n td e s i g nf o rt h es o l i dc a r b i d ee n dm i l l si s r e a l i z e d t h eu g n xo p e nt e c h n o l o g yi sc o n d u c t e di nt h es y s t e md e v e l o p m e n t t h ed y n a m i c l i n kl i b r a r y ( d l l ) i sc r e a t e dw i t ht h et e c h n i q u eo ft h ec o m m o n i i i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ( a p i ) f o rm i c r o s o f t c 群a n dt h es e c o n d d e v e l o p m e n to fu gn x s o m ef u n c t i o n s ，s u c h a sc a s es e a r c h i n g ，p a r a m e t e r s c a l c u l a t i o n ，a i d e dd e s i g n ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，t w o - d i m e n s i o n a ld r a w i n g a u t o m a t i c a l l ya n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o no ft h es o l i dc a r b i d ee n dm i l l s c a nb e r e a l i z e di nt h es y s t e m k e y w o r d s ：e n d m i l l ；c a d ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 高速加工由德国s a l o m o n 博士提出，先后经过设想和理论探索、高速切 削机理和理论研究、高速切削应用研究，高速切削逐渐进入实用阶段。目前 高速加工技术广泛应用于汽车制造、模具制造、精密零件加工和航空航天领 域【l j ，已经成为机械加工重要的发展趋势。特别是航空航天领域中广泛采用 结构复杂、尺寸大、切除率高、刚性差的整体结构件，使用高速加工技术能 够发挥单位时间内材料去除率高、切削力小、加工精度高、表面粗糙度低等 优点，提高整体结构件的加工效率和减少加工成本【2 ，3 】。 机床和刀具是高速切削加工中的重要要素，高速加工过程中由于高温、 高压、摩擦、冲击和振动1 4 】等因素的影响，对刀具提出了高机械性能和热稳 定性的要求。刀具的研究对提高切削能力，促进高速切削发展具有重要的意 义，现代刀具设计、制造技术是集数学理论、计算机技术、网络技术、现代 设计方法等为一体的重要技术，已逐步发展高新技术产业。新兴技术与传统 刀具设计的结合，大大促进了刀具行业的发展。应用网络和计算机等新技术 的发展，开发刀具c a d 系统，能够加快推动刀具设计制造的发展。 目前我国刀具制造技术落后于发达国家，传统的刀具生产技术不能满足 现代制造业的发展需要，计算机与网络等新技术与传统的刀具设计、制造技 术结合比较少。因此，目前加强刀具设计的数字化研究，提高设计中自动化 的程度，掌握现代刀具制造的先进技术，形成领先的产业，从而摆脱对刀具 进口的依赖，迅速提高刀具制造水平成了重要的发展方向。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 整体硬质合金立铣刀研究现状 目前使用比较广泛的金属切削刀具材料主要有：高速钢、陶瓷、硬质合 金、立方氮化硼、聚晶金刚石【5 1 ，刀具材料选择要根据加工条件在耐磨性、 强度、硬度中做出选择。低速时为了克服崩刃问题一般选择强度和韧性好的 山东大学硕七学位论文 材料。高速切削对刀具材料提出了极高的要求，要求耐磨性、韧性、抗弯性 好，高温硬度高【4 1 。航空航天领域加工精度高，材料难加工，材料为铝合金 的航空整体结构件加工中，硬质合金材料的刀具得到了广泛的应用，特别是 涂层硬质合金的比例得到了很大的提升，但目前整体硬质合金刀具基本依赖 进口1 6 】。硬质合金是起黏结相作用的金属和难熔金属碳化物组成的烧结材料， 高硬度、高抗弯强度和韧性、低热膨胀系数是材料的主要特点。目前，在制 造业发达国家，硬质合金是主要刀具材料，硬质合金刀具发展成为高速切削 刀具的主导产品，9 0 以上的车刀、6 0 以上的铣刀材料都采用硬质合金， 并且适用的范围在逐渐加大。 常用的硬质合金刀具材料主要有w c 基类硬质合金和t i c 基类两种。w c 基的包括钨钴类、钨钛钴类和钨钛钽( 铌) 钴类。t i c 基是以t i c 为主要成 分的t i c n i m o 合金。目前还出现了以细晶粒、超细晶粒硬质合金，涂层硬 质合金，高速钢基硬质合金为代表的新型硬质合金。细晶粒、超细晶粒硬质 合金能够提高抗弯强度和高温硬度，并且能够减少崩刃。涂层硬质合金发展 迅速，通过涂层的应用提高了力学性能，延长了寿命，得到了越来越广泛的 应用，在一些发达国家已经占到硬质合金刀具材料5 0 的使用量。高速钢基 硬质合金耐磨性好，但高温性能差，不适合高速切削。 铣削加工是机械加工的常用方式，铣刀是铣削加工的重要要素，为多刃 旋转刀具，可用来加工平面、成型表面、台阶、沟槽、切断等。 根据用途，铣刀可分为圆柱平面铣刀、盘铣刀、面铣刀、锯片铣刀锯片 铣刀( 薄片槽铣刀) 、立铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、成型铣刀等。立铣刀可 以按结构分为整体式立铣刀和可转位立铣刀：按外周刃的不同分为普通刃立 铣刀、锥形刃立铣刀、粗加工刃立铣刀和成形刃立铣刀；按刀柄部分不同分 为锥柄立铣刀和直柄立铣刀；按头型不同分为平头立铣刀、球头立铣刀和圆 弧头立铣刀。 整体立铣刀主切削刃在柱面上，副切削刃在端面上。立铣刀几何参数很 多，主要参数如下【7 9 1 ：加工部分直径、刀尖圆弧半径、刃倾角、倒角、刀颈 长度、芯部直径、柄部直径、过渡部分直径、加工部分长度、刀体总长度、 刀头部分长度和过渡部分之和、刀头与刀柄过渡部分圆弧半径、齿数、螺旋 角、侧刃前角、侧刃后角、侧刃后刀面宽度、端刃前角、端刃后角。 2 第1 罩绪论 整体硬质合金立铣刀设计中，根据加工条件采用合适的材料、几何参数 和刀具结构是提高刀具性能的基本条件f l o 】，要实现尺寸紧凑的刀具有足够的 刚性、强度和冲击刃度，有合理的容屑槽，高速切削中低于要求的震颤【1 1 1 。 选择较浅的螺旋槽和较短的槽长可以增加刚性，前角增大可以降低切削力、 切削热及切削振动；要有较高的精度，要动平衡好；沿螺旋槽磨出的偏心后 角，可以抑制振颤【1 2 ，14 1 。 设计合理的立铣刀结构，选择合适的几何参数，是整体硬质合金立铣刀 性能的保证。整体立铣刀造型复杂，加工难度高，很多学者在立铣刀几何建 模方面进行了研究，取得了一些成果。w e i y ac h e n 等 1 5 】研究了球头立铣刀 的加工制造，并提供了加工补偿的方法；k i v a n c ，eb 和b u d a k 1 3 】研究了立铣 刀结构模型并且研究了对性能的影响；a l t i n t a s i l 6 】等研究了铣刀的力学性能； m i z u g a k i 17 】等研究了球头铣刀的加工；k i m 1 8 1 等人研究了立铣刀的设计和制 造，并研究了过切问题；k l o y p a y a n 1 9 】等人研究了铣刀几何尺寸和切除率的 关系；w e is h u a n g y u l 2 0 j 等研究了基于d a 的立铣刀参数设计；易德明等人在 立铣刀刃磨的基础上研究了s 形刃球头铣刀模型，胡思节【2 l 】等人研究了结构 参数和刃磨参数的关系以及刃磨参数对设计参数的影响；吴道全【2 2 】等研究了 圆柱立铣刀周齿螺旋面以及该面与s 刃前面的连接；罗伯勋【2 3 】建立了s 形刃 球形立铣刀前刀面数学模型，提出一种前角和刀刃曲线的解析式；陈逢军 2 4 , 2 5 】 等设计了砂轮加工铣刀的方式，提出了等法向前角的立铣刀数学模型，并且 进行了仿真和分析；倪桂功【2 6 】等人研究了立铣刀螺旋角，建立了等螺旋角的 模型；韩政峰【2 7 】提出了一种新型球头立铣刀的数学模型；张滢【2 8 1 等建立了支 持参数库的能够提取几何信息的球头立铣刀几何模型。 1 2 2 刀具c a d 技术 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是先进制造技术的重要组成部分，包含 几何造型、工程文档及其数据的输出、工程分析与计算、简易的设计修改 和版本控制功能、设计是否满足要求和实际规则的检验、运动学与动力学特 性分析、数控加工编程等功能，是工业生产中不可缺少的手段【2 9 刮】。c a d 技 术延伸了产品设计内涵，改变了传统制造的观念和方法，引起了产品设计和 制造方式的变革，提高了企业的竞争力，取得了显著的经济效益。航空航天 山东大学硕十学位论文 领域的部分产品已经实现1 0 0 无纸化设计制造，将以往模拟量传递转换为 了全程数字量传递体系。麻省理工学院于2 0 世纪5 0 年代首先开发了显示图 形的“旋风一号 和世界上第一台数控机床，是c a d 技术出现的标志。6 0 年代由于计算机图形学、交互技术等领域的发展和应用的理论探索，出现了 能够表达基本几何信息的简单的线框式的三维c a d 系统，并且实现了初步 的商用【3 2 1 。 7 0 年代，贝塞尔算法的出现实现了以表面模型为特点的自由曲面建模方 法，能够初步实现三维曲面造型功能，伴随光栅扫描显示器、光笔、图形输 入板的产生，c a d 系统的应用开始面向军工企业和大型汽车企业。 8 0 年代，c a d 技术得到了快速的发展，实体造型技术得到普及应用， c a d 广泛应用于中小企业。基于特征的设计得到发展，包含管理特征模型、 形状特征模型和技术特征模型在内的产品信息模型受到研究者的关注【3 3 1 。产 品信息建模技术提供了c a d c a p p c a m 中较为完备的产品信息定义，使得 信息资源共享得到实现，是8 0 年代主要研究领域之一【3 4 1 。 9 0 年代，c a d 逐步向专业型软件发展，参数化技术得到广泛应用，操 作方式更加智能化，提供工程图形库、建库工具、图纸管理和查询功能，方 便装配图的设计，将单一功能的系统发展到包含c a d 、c a m 、c a e 、c a p p 、 p d m 的计算机集成制造系统，并行处理技术和网络技术得到广泛应用，实现 了异地、协同、虚拟设计和制造，结合知识库和专家系统，提高了自动化设 计制造程度。9 0 年代后期，在参数化技术基础上产生了变量化技术，成为重 要的发展方向 3 3 - 3 5 】。 2 0 0 0 年以后，基于产品信息共享和分布计算、并辅以专家系统及人工神 经网络的智能化、网络协同c a d 系统成为发展的主要方向【3 们。同步建模技 术在参数化、基于历史记录建模的基础上取得重大进步。同步建模技术实时 检查产品模型当前的几何条件，并且将它们与设计人员添加的参数和几何约 束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无须重复全部 历史记录。传统的c a d 系统主要是提供方便的设计工具和手段来辅助设计， 缺乏分析问题和解决问题的能力，适用于解决算法型或确定型的任务问题。 为了克服传统c a d 的不足，将人工智能和专家系统技术应用于c a d 系统， 进行了智能c a d 系统的研究。智能c a d 系统结合了软件工程、模糊数学等 4 第l 荦绪论 多种学科的知识，是一种智能、可靠、易维护的c a d 系统。机械产品设计 包含设计标准、规范、公式、图形和非数值的经验性知识，以知识和经验为 基础的思考、推理和判断式设计过程中必不可少的部分，因此c a d 技术采 用专家系统和知识库实现最优设计成为研究的热点。与传统的设计方法相比， 决策模型提供了相当大的柔性，提供了对整个设计过程的支持，得到了广泛 的应用。 目前主流的c a d 软件主要有c r e o 、u g 、s o l i d w o r k s 。 ( 1 ) 美国p t c 公司生产了新的c a d 设计套装软件c r e o 。该软件具有可伸 缩、可互操作、开放且易于使用的特点，软件提供的解决方案，能够实现基 本的易用性、互操作性和装配管理。 最新的c r e o 将包括如下四大应用： a n y r o l ea p p s ； a n y m o d em o d e l i n g ：提供多范型设计平台； a n y d a t a a d o p t i o n 让用户能够统一使用任何c a d 系统生成的数据； a n y b o ma s s e m b l y 提供所需的能力和可扩展性。 ( 2 ) s o l i d w o r k s 是基于w i n d o w s 平台开发的三维c a d c a e c a m p d m 软 件。功能强大、易学易用和技术创新是s o l i d w o r k s 的三大特点，使得 s o l i d w o r k s 成为领先的、主流的三维c a d 解决方案。 ( 3 ) u n i g r a p h i c s ( u g ) 是西门子公司推出的集c a d c a e c a m 一体的三 维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一， 广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。u g 是 p l m 框架的组成部分，能够应用于从产品需求、产品设计、产品制造、产品 维修到产品回收全生命周期。u g 同时支持t o pd o w n 设计和b o t t o mu p 设计， 目前广泛应用于航空航天、汽车制造等领域，是当前国际流行的工业设计平 厶一 口一 定型设定参数值 验算与修改- 三维造型 制图。刀具c a d 系统利用计算机强大的运算能力，实现几何参数的计 算，通过计算机虚拟现实技术，优选刀具设计方案和设计参数，利用数据库 技术，实现实例及其数据的存储，实现刀具实例重用功能。通过c a d 系统 6 第l 苹绪论 _i l l i 鼍曼曼曼詈曼曼量曼皇量曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼量量量笪曼曼曼量曼曼蔓曼鼍曼曼 的人机交互功能，实现产品的交互式设计，提供了整体解决方案，能够实现 方案构思、实体建模、参数计算、绘图等功能，依靠计算机技术实现刀具的 信息化设计，结合传统设计过程的优势，提高刀具设计水平。2 0 世纪7 0 年 代，上海工具厂应用计算机进行少量的刀具齿形设计计算【3 8 】，成都赵毅等人 【3 9 】实现齿轮刀具齿形和结构参数设计计算的自动化。2 0 世纪8 0 年代，哈尔 滨工业大学进行了切削刀具的c a d 技术的研究【4 川；成都工具研究所与成都 科技大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学和华中理工大学等单位共同进行 了复杂刀具c a d 系统开发的研究；薛进才【3 7 进行了刀具c a d 技术的理论研 究，提出了自动设计型、交互设计型和人工智能型c a d 系统；路亚蘅等人【4 1 】 以剃齿刀设计的智能化为实例提出刀具c a d 的智能化问题，对专家系统的 基本技术进行了讨论，提高设计速度；天津大学董文武等人【4 2 】研究了刀具设 计软件的构成和设计思路。2 0 世纪9 0 年代，研究的重点之一是参数化绘图。 杜信廉【4 3 】研究了刀具c a d 支撑软件的组成和开发原则，谭光宇【4 4 】研究了复 杂刀具c a d 系统软件开发中技术，实现了混合编程，开发了人机交互友好 的软件系统，得到一定的推广；杨军【4 5 】开发了包含齿轮刀具的查询、选型、 设计、。计算、图形绘制和文件的c a d 系统；哈尔滨工业大学研究了可转位 车刀参数化系统，建立了可转位车刀标准件库；大连理工大学研究了基于知 识的刀具设计模式，探讨了框架结构、知识表示等技术；华东交通大学通过 研究刀具系统参变量化智能c a d 绘图系统和集成刀具智能化系统，对刀具 设计系统中智能化设计、参数提取、变参数绘图、标准刀具参数合理选择、 框架设计和参数绘图一体化进行了探讨；华中科技大学数控所研究了数据库 与a u t o c a d 软件的数据通讯，实现了智能参数化刀具实体模型库的建立。 2 0 0 0 年以后，刀具c a d 得到了快速的发展，包含模型设计、参数计算、 数据管理、三维建模、仿真于一体的c a d 系统开始成为研究的主要方向。 修树东等人研究了复杂刀具c a d 技术的现状和发展趋势【4 6 】；华北工学院完 成了深孔刀具及辅具的一体化系统；华东交通大学提出了切削法造型的构造 思维，并用实例进行了实现；华侨大学通过输入不同的立铣加工参数和铣刀 的几何参数，进行仿真，辅助完成铣削加工参数和铣刀几何参数的设计；刘 立明运用c b r 技术和c a d 二次开发技术，初步实现了柔性更高的智能化的 刀具智能c a d 系统【4 7 1 ；高长才研究了利用v c + + 和u g 对刀具进行设计的方 7 山东大学硕士学位论文 法1 4 8 】；吴占阳基于u g 平台和v c 环境利用专家系统原理和基于实例推理原 理开发了智能化专用刀具c a d 系统，同时将系统与u g 平台集成，实现刀具 三维参数化建模【4 9 】；于忠海研究了刀具二次开发，给出了刀具建模及参数化 实现、实例库的建立、存储和评价的方法【5 0 】；西华大学的吴斐研究了基于 s o l i d w o r k s 的四刃立铣刀螺旋面建立，并且给出了成形砂轮轴向廓形i 副】；尹 洋介绍了在s o l i d w o r k s 平台基础上提出了基于实例推理的复合刀具c a d 系 统的数字化设计思想【5 2 】；陈惠贤5 3 】等在c a d 平台上，建立了基于k b e 的刀 具设计系统；王大斌【5 4 】等研究了基于k f 的智能化快速响应参数化设计；吴 良树f 5 5 】等在k b e 基础上，应用网络技术和数据库技术，讨论了网络化k b e 系统及系统实现的关键技术；张进成【5 6 】等运用k f 将k b e 与u g 系统集成， 对知识工程的系统模型进行了研究。 1 2 3 数字化设计和参数化设计技术 数字化设计技术是c a d 技术的延伸，是一种系统化、集成化的现代设 计技术，计算机技术是数字化技术发展的基础，在产品设计过程中通过数字 化技术进行模型建立、分析、修改、优化以及生成设计文档【5 。 数字化设计集成了三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信 息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等技术，能够贯穿企业生产的 全过程，能够提高企业的开发效率、减少工作强度、缩短开发时间、提高企 业的竞争能力。数字化设计包括计算机辅助设计c a d 、计算机辅助制造 c a m 、计算机辅助工程c a e 、计算机辅助工艺设计、逆向工程技术等。 参数化设计是指建立参数与模型尺寸间的对应关系，通过修改参数的数 值，驱动产品模型更新，实现几何形状和结构的修改、优化和调整等设计目 标【5 引。参数化技术在实践中得到了广泛的应用，参数化设计的理论与方法得 到了较大的发展和完善。参数化设计在应用中能够检查约束条件是否有过约 束或欠约束情况的出现，能够提供用户需要的所有可行解，能够在构造物体 的过程中允许修改约束，而且修改的效果应与先期的约束设定次序无关，能 够允许广泛的约束类型并且容易为某些特殊应用加入新的约束类型，能够处 理常规的c a d 数据库图样。以约束分析为基准，参数化方法可分为变量几 何法、人工智能法、构造过程法。 8 第1 荦绪论 综上所述，经过众多学者的努力，在刀具计算机辅助设计方面取得了很 大的进展。但是，整体硬质合金立铣刀的c a d 设计及其重用技术等方面研 究还不成熟，许多理论与实际应用问题有待进一步解决。目前主要还存在以 下几个方面问题： ( 1 ) 整体硬质合金立铣刀的结构描述方法不利于c a d 软件建模； ( 2 ) 对于不等齿距不等螺旋角球头立铣刀没有很好的参数化设计方法； ( 3 ) 目前的文献中虽然已对立铣刀c a d 设计作了一些研究，但通常为针 对某一特定类型的立铣刀进行设计，或者是对已有立铣刀进行了几何建模， 只能在局部范围内进行参数的修改，智能化程度较低，不能满足通用设计的 需要。 ( 4 ) 目前开发的刀具专用c a d 系统，对于系统与数据库的结合考虑的较 少，对于立铣刀通过应用数据库技术和k f 技术进行实例重用的研究尚未见 到相关研究的文献报道。 1 3 研究的目的及意义 本课题是国家支撑计划高速高效刀具切削性能评价与设计技术的子课 题，项目号：2 0 0 8 b a f 3 2 8 0 1 。 本课题研究的目的是建立整体立铣刀的通用化三维设计平台。适应不同 企业不同的产品的设计方法和产品结构，以u g 软件为开发平台，结合产品 的特性，开发用户化、本地化的c a d 系统，以实现整体立铣刀几何模型设 计的要求。建立整体硬质合金立铣刀的c a d 设计系统，能够提高设计的准 确性和稳定性，增加设计的柔性，缩短设计周期，降低设计成本，提高市场 竞争力，减少立铣刀设计人员的工作强度。最终实现数控立铣刀的国产化， 生成提高高速加工整体立铣刀设计与制造效率的辅助软件工具。 1 4 论文主要研究内容 ( 1 ) 铣刀数字化设计的几何建模。准确的数学模型是进行铣刀设计和加工 的基础。本文将建立包括不等齿距不等螺旋角立铣刀在内的不同铣刀螺旋线 的通用方程，建立统一的立铣刀轮廓模型、切削刃表达方式和刀具表面模型。 铣刀的几何模型研究包括两个方面的内容：一是从切削理论和被加工材料的 9 山东大学硕十学位论文 性能出发，研究刀具开发或寻求最佳的刀具参数设计问题；二是已知理想刀 具的结构和设计参数要求，运用数学知识，尤其几何知识描述其几何形态， 即几何建模。 ( 2 ) 实现基于u g 的整体硬质合金立铣刀的c a d 设计及仿真。应用u g 的n xo p e n 技术、微软的n e t 技术和数据库技术，建立了整体立铣刀标准 件库，实现刀具的数字化设计，并且能够生成三维模型和二维图纸。 ( 3 ) 实现整体硬质合金立铣刀数字化设计。依托数据库技术，建立铣刀的 标准库和实例库，利用标准件库技术和k b e k f 技术，实现铣刀设计的实例 重用和知识重用。 全文结构安排如下： 第1 章：绪论 分析课题提出背景，研究整体硬质合金立铣刀设计相关的理论知识和研 究现状，在分析现有研究中存在的不足的基础上提出研究的目的、意义和内 容。 第2 章：整体硬质合金立铣刀几何建模 描述了不同类型的整体硬质合金立铣刀的结构，建立了适合c a d 建模 的立铣刀数学模型。 第3 章：整体硬质合金立铣刀设计的求解方案 归纳了立铣刀设计的基本信息，建立了包含实例重用、实例修改和实例 新建在内的整体硬质合金立铣刀设计集成求解方案。 第4 章：整体硬质合金立铣刀c a d 系统设计 根据整体硬质合金立铣刀设计的集成求解方案，应用数据库技术、知识 融合技术和u gn xo p e n 技术，设计了整体硬质合金立铣刀c a d 系统。 第5 章：配置软件环境，介绍系统所实现的标准件库检索、基于知识融 合( u g k f ) 的建模和基于历程的建模等主要功能及其人机交互界面。 l o 第2 章整体硬质合会蕾铣刀几何建模 第2 章整体硬质合金立铣刀几何建模 建立硬质合金立铣刀c a d 系统的首要任务是对不同种类的硬质合金立 铣刀几何特征进行准确的数学描述，建立数学模型。本章针对不同类型的整 体硬质合金立铣刀进行了刀具结构的描述。针对立铣刀的几何参数，对立铣 刀螺旋刃线和螺旋面进行了数学描述，建立了适于c a d 建模的不同类型立 铣刀刃线和螺旋面数学模型。 2 1 整体立铣刀主要结构 高速整体立铣刀要求寿命长、精度高、刚性大、对称性好、动平衡性好、 排屑通畅、强度高、刃口锋利【引。整体立铣刀模型包括柄部、颈部、刃部三 部分，主要的几何参数包括立铣刀直径、齿数、长度、螺旋角、前角、后角、 容屑槽深度等。 硬质合金立铣刀按照头型不同分为平头立铣刀、球头立铣刀和圆弧头立 铣刀：按刀柄分为直柄立铣刀和锥柄立铣刀，三维建模中直柄可以看作锥柄 的特殊情况；按照铣刀齿间角和螺旋角来划分可以分为等齿距等螺旋角立铣 刀、不等齿距等螺旋角立铣刀、等齿距不等螺旋角立铣刀、不等齿距不等螺 旋角立铣刀，在硬质合金立铣刀c a d 三维建模中，前三种铣刀的几何建模 可以看作是不等齿距不等螺旋角立铣刀的特殊情况。 考虑到立铣刀的制造成本与切削性能的原因，目前整体硬质合金立铣刀 的直径多数在0 2 m m 到1 6 m m 之间，一般最大不超过3 2 m m 。立铣刀容屑槽 几何参数主要有槽底半径，槽深和槽长，容屑槽底部通常为圆弧形，其容屑 空间最小面积应大于切屑面积。槽深太深，刀具刚性弱，寿命短；槽深太浅 不利于排屑，因此要根据被加工材料的属性来进行选择。容屑槽主要有分为 圆柱形和锥形两种，深度一般为立铣刀半径的一半左右，这样既能保证刀具 的寿命，又能够提高切削性能。立铣刀齿数主要有2 齿、3 齿、4 齿和6 齿， 其中6 齿较为少见【5 8 6 0 1 。 设切削长度为三，转速为刀，每齿进给量为万则刀齿工件接触次数为： = 去 ( 2 - 1 ) 山东大学硕士学位论文 齿数与接触次数成反比，与进给成正比，因此，增加立铣刀齿数能够减 少接触次数，延长刀具寿命，同时能够提高加工效率。齿数增加能够提高加 工精度，但不利于排屑。硬质合金立铣刀的刀体长度包括装夹部分和切削部 分，长度应该与立铣刀的直径相适应，以提高铣刀刀体的切削刚度，提高加 工质量。 整体立铣刀螺旋角是立铣刀的重要几何参数，当螺旋角为o o 时，为直刃 立铣刀，不为0 0 时为螺旋刃立铣刀。螺旋角主要取决于刀具材料、被加工工 件材料、振动和加工精度等因素，通常情况选择较大的螺旋角，能够增加实 际工作前角，提高切削性能，但较大螺旋角立铣刀刚性降低，因此刀具产品 中螺旋角通常为3 0 0 6 0 0 【6 们。研究表明采用不等螺旋角立铣刀能够有效减少 震颤，提高动平衡性。立铣刀前角后角根据被加工材料和加工要求进行选择。 2 2 立铣刀螺旋刃线数学模型 立铣刀螺旋刃线可以看作是圆柱( 圆锥) 面和螺旋面的交线，也可以看 作是点绕z 轴旋转并且同时平行于z 轴移动形成的轨迹，如图2 1 所示。圪 表示平行于z 轴的速度向量，表示旋转角速度向量，9 为绕轴的转角，r ( c p ) 表示为圆周半径。螺旋线绕轴z 旋转一周，动点在轴z 上的投影所移动的距 离，是螺旋运动的导程。圪和c o 之比称为螺旋运动参数p ，若p 为定值，则 称为常螺旋运动，其大小可用式( 2 2 ) 计算【6 。 1 2 图2 1 常螺旋线 第2 章整体硬质合金市铣刀几何建模 p：兰(2-2) 至 = 1 c s 焉? s 9 a 9 - c s 薯i n 9 q o ； r 誊 + p 妒 c 2 - 3 ， | = 掣：掣卯妒升却训弘4 ， 角的特性，可得出7 3 刃螺旋线( 如图2 - 2 所示) ，根据文献6 2 1 ，x 、y 、z 为螺 旋刃上点的坐标，p 为极径，岛为圆心到立铣刀端部圆周面的极径，q 为不 舻r e x p ( 气万) s 协呲0 8 竹 y 2 r e x p ( 气万) 咖o c s m 哆 c 2 - 5 ) ，n 殳i n - , 弘r e x p ( 气万批0 8 口 r x y 图2 - 2 圆锥螺旋线 山东大学硕七学位论文 将等齿距等螺旋角立铣刀和不等齿距不等螺旋角立铣刀螺旋线按圆周展 开，得圆周展开图，如图2 3 所示，因为螺旋角和齿间角的不同，立铣刀同 一截面中的刀齿间距和齿间角也不相同。 崮豳 n ( a ) 不等齿距不等螺旋角立铣刀( b ) 等齿距等螺旋角立铣刀 图2 3 立铣刀齿间角 因为不等齿距立铣刀端部刀齿间夹角不同，为了实现齿间角饿，对螺旋 刃曲线在刀刃上的分布有约束要求。螺旋线与端面的交点的位置要求符合端 部不同齿间角的约束，设不同刃线与铣刀顶端圆的交点分别为r r t 点和胛点， 识为铣刀端面齿间角，r 为顶端圆半径，则有如下方程： 卜2 焉精 弘6 ， 【x 2 。+ 2 = 2 + 咒2 = 月2 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 5 ) 得式( 2 7 ) ： 当第一条螺旋刃生成后，根据公式( 2 7 ) ，能确定第二条螺旋刃的起始点， 同理可得铣刀上所有的螺旋刃轨迹。并且能够得到任意截面处不同刃线间的 夹角和距离。 1 4 第2 章整体硬质合令立铣刀几何建模 嘲e x p ( 訾) s i n a c o s ( 仍训 y 却坤阻学) s i n a s i n ( 够训 ( 2 7 ) 础e 冲c 警灿s a c o s 2 体= c o s p , c o s p , ”+ s i i l s i n a p m 2 3 立铣刀螺旋面数学模型 彳 彳( f ) c o s 妒一石( ，) s i n 9 + b 石( f ) s i i l 妒+ 石( f ) c o s 缈 + c 六( f ) + p 缈 + d = o ( 2 - 9 ) 至 = 兰鼍；- c s 芎i n 9 q a ； z 羔妒， c 2 - ，二， 三 = 兰鼍；- c 薯s i n 妒c p ； z 毫s y c 2 - ， 1 5 山东大学硕卜学位论文 - 戈s i n 谁缈 弘 当可展时为渐开线螺旋面，方程为【6 1 】： 一s i n 缈 c 0 s 9 o 口 t s i n ：r + p t 塑 口 ( 2 1 3 ) 方程可得参数方程和端面截形方程为6 1 】： 三 = 毒；- c s 芎i n 妒e 争 p c 穗j + p 妒 c 2 t4 ， | = i , i o ：- 警s i n t p ；j 【，( i 别f l ( t ) 亿 元矿= 0 ( 2 1 6 ) 吃= e ( x s i n t p + y c o s 妒) - x z i = 一p ( x c o s ( p r s i n o ) - y z ( 2 1 7 ) 嚣= x x 7 + y y 将上文中螺旋面方程的端面截形代x ( 2 1 7 ) ，可得出法线矢量方程。 设砂轮所在的坐标系为0 m ，砂轮底圆半径为r d ，砂轮底圆接触线坐标 可设为 x m o ，y m o ，0 ) ，砂轮坐标系与立铣刀坐标系有旋转变换为绕x 轴旋转q 角，绕y 轴旋转吼角，绕z 轴旋转0 3 角，平移量分别是，m ， ， x o ，y o ，z o ) 为该点在铣刀坐标系中的坐标，则砂轮上的点经过坐标变换到铣刀坐标系得： 1 6 缈缈 兮g o c s 。，。l = 1，j x y z 9 缈 g o c s ，l = 1j x y z 第2 章整体硬质合金立铣刀几何建模 而 气 1 a = c = ：a b c d i y u o 0 1 l0oo 0 c o s qs i n s l 0 s i n 8 lc o s 8 1 oo o 0l i ，b = 0i i 1i c o s o ,s i n 0 , 0 0 一s i n o , c o s 岛 0o 00 7 淞= 1 01l c o s 岛0 一s i n 0 2 o 1o s i n 0 2 0 c o s 0 2 0o01 10 o1 0 o ，所 0 0 0 0 1o 刀l ( 2 一1 8 ) 由法线矢量方程、砂轮参数和立铣刀螺旋槽参数可以得出砂轮的位置和 姿态。 2 4 立铣刀头部数学模型 平头铣刀的头部刃线是立铣刀柱面或者锥面螺旋线的延伸。根据平头立 铣刀前角、第一后刀角、第二后刀角的设计要求，通过砂轮的螺旋运动与圆 柱刀体布尔运算得出【1 5 1 。 球头立铣刀的刃口是头部前刀面与后刀面的交线，所形成的曲线为螺旋 线，刀具采用的螺旋线通常为等螺旋角刃口曲线，或者是正交螺旋线，也可 以是其他形状的螺旋型曲线【6 3 1 。 根据文献，等螺旋角刃口曲线的参数方程为2 7 1 ： x = , 厨- z 2 c o s 哇t a n 肚等) y = 厄虿s i n ( - 1t a n m 两r + z ) 一 ( 2 1 9 ) z = z 当螺旋线到达球头顶端时，曲线轨迹无法得出，增大了设计和加工的复 杂性。 正交螺旋刃口是正交螺旋面与球面的交线，曲线的参数方程为【2 7 】： 1 7 山东大学硕士学位论文 2 5 本章小结 阡 r e o s 9 r s i n 妒 犬缈 t a n x 2 + y 2 + z 2 = r 2 ( 2 - 2 0 ) 本章分析了整体硬质合金立铣刀的主要结构、主要参数的取值范围；建 立了不等齿距不等螺旋角立铣刀的整体立铣刀的螺旋刃线、螺旋面以及头部 数学模型，给出了适合c a d 建模的数学表达式，为整体硬质合金立铣刀数 字化建模奠定了基础。 1 8 第3 章整体硬质合会立铣刀设计的求解方案 第3 章整体硬质合金立铣刀设计的求解方案 现有的整体硬质合金立铣刀设计软件缺乏一个将设计过程进行整合的完 整体系，因此本章综合应用标准件库技术、实例重用、知识融合和u g 二次 开发技术，构建了整体硬质合金立铣刀集成求解方案，设计了三种不同的刀 具结构设计方法，为系统的构建奠定了基础。 3 1 立铣刀设计的基本信息 整体硬质合金立铣刀的设计主要考虑以下几个部分： ( 1 ) 整体硬质合金立铣刀的结