铣刀计算机辅助设计及分析

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"Abstract II\o"CurrentDocument"第1章前言 1\o"CurrentDocument"第2章螺旋立铳刀的有限元分析 3\o"CurrentDocument"刀具制造的现状 3UG简述 4UG系统的特点 4\o"CurrentDocument"UG系统的主要功能模块 4\o"CurrentDocument"CAD技术发展历程 5\o"CurrentDocument"螺旋立铁刀的设计分类 5\o"CurrentDocument"螺旋线理论 8\o"CurrentDocument"螺旋线的基本概念 8\o"CurrentDocument"一般螺旋线的概念 9\o"CurrentDocument"圆锥螺旋线 10\o"CurrentDocument"刀具螺旋面生成原理 11\o"CurrentDocument"2.6螺旋立铳刀CAD 13\o"CurrentDocument"刀刃部分参数化模型创建 13\o"CurrentDocument"在UG中建立应用螺旋线 14\o"CurrentDocument"刀柄以及端部形状的实现 17\o"CurrentDocument"2.7铳刀的有限元分析 18\o"CurrentDocument"ANSYS介绍 18\o"CurrentDocument"定义属性并划分网格 18\o"CurrentDocument"施加载荷以及结果 19\o"CurrentDocument"2.8本章小节 25\o"CurrentDocument"第3章二齿球头立铳刀CAD 26\o"CurrentDocument"Pro/E简介 26\o"CurrentDocument"二齿球头立铳刀的设计流程 26\o"CurrentDocument"二齿球头立铳刀的CAD设计 27\o"CurrentDocument"本章小节 38\o"CurrentDocument"第4章台阶式可转位面铳刀设计 39\o"CurrentDocument"(p300可转位面铳刀介绍 39\o"CurrentDocument"可转位面铳刀的装配体分析 39\o"CurrentDocument"(p300台阶式可转位面铳刀结构特点 40\o"CurrentDocument"(p300台阶式可转位面铳刀刀具参数以及使用条件 41用效果 41\o"CurrentDocument"(p300可转位面铳刀的建模步骤 41\o"CurrentDocument"主要零部件的建立 41\o"CurrentDocument"铳刀的装配 47\o"CurrentDocument"本章小结 50\o"CurrentDocument"第5章总结 51\o"CurrentDocument"参考文献 52摘要数控机床和加工中心所用的数控刀具种类多、结构复杂，现在国内对该刀具的设计大多采用传统手工方式，效率较低。而在数控领域内螺旋立铳刀是应用最为广泛的刀具类型之一。随着刀具技术的发展和现代工业对刀具需求的不断提高,现有的螺旋立铳刀己经具有了种类繁多、功能细化、结构各异、档次分明等各个特点。本文提出了以UG(Unigraphic)设计软件为基础平台，设计--种螺旋立铳刀，并结合有限元分析软件ANSYS对铳刀的受力进行分析，研究铳刀在受力状况下的应力和应变，根据得出的结果对铳刀的设计进行优化。球头立铳刀也是一种广泛使用的刀具，而球头上面的螺旋线是个难点，数学是科学发展的灵魂，它无时无刻不在指导或表达着事物的发展，螺旋线理论应用在立铳刀的建模中。本文基于Pro/E强大的曲面造型功能，通过Pro/E软件实现了球头立铳刀的设计。可转位面铳刀在切削中起到越来越大的作用，而国内在可转位面铳刀方面的设计和制造能力较弱，我们的制造企业每年都要从国外进口高速刀具，耗费大量费用，不利于刀具自主品牌的发展。本文应用UG(Unigraphics)软件实现了可转位面铳刀的计算机辅助设计，根据可转位铳刀结构的特点，在可转位面铳刀参数化设计和数控加工过程中采用了特征造型方法，利用尺寸驱动图形，满足了模拟数控加工中所需二次造型和产品系列化的要求，实现CAD/CAM一体化。通过UG和Pro/E软件的建模，本文设计了螺旋立铳刀、球头立铳刀和可转位面铳刀，并实现了刀具的有限元分析，为刀具的优化以及后续环节的数字化制造建立了工作基础。关键词可转位；螺旋立铳刀；球头立铳刀；刀具设计；ANSYS有限元分析AbstractToolsinCNCmachinetoolsandCNCmachiningcenteriscomplexstructureNowmostofthedomesticdesignofthistoolisusingtraditionalmethodsbyhandandlessefficient.InthefieldofNCarea,spiralmillsisthemostwidelyusedtooltypes.Withthetoolsofmodemindustrialtechnologyandrisingdemandonthetools,theexistinghelicalendmillshavealreadyhadawiderangeoffunctionalrefinement,structurallydifferent,andsoongradedistinctcharacteristics.Inthispaper,byUnigraphicdesignsoftware,wedesignahelicalendmills,andconductfiniteelementanalysisbysoftwareANSYS.Westudythestressandstraininmillingforceconditions.Accordingtotheresultsofthemillingcutterdesignisoptimized.Rotatinghelicalsurfacetheoryandprocessinginmillsmillingcuttergrooveshapemodelingwithapplicationandresearchofmathematicsisthesoulofscientificdevelopment,ortoexpressitallthetimeguidingthedevelopmentofthings,tooldesignisnoexception.Spiralhelicalspiralcutterdesigntheoryisthetheoreticalbasisofthistheorythroughresearch,toestablishaccuratemathematicalmodelofendmillsandcuttingtoolsmorereasonablestructureforthedesignofthedevelopmentandfunctiondesigntoprovideaguarantee.NowindexablefacemillingcutterplaysanincreasinglyimportantroleincuttingHoweverdomesticindexablefacemillingcutterintheareaofdesignandmanufacturingcapabilityisweak,ourmanufacturingenterprisesimporthigh-speedcuttingtoolsfromabroadeveryyear.Wenotonlyspentalotofmoney,butalsoisharmfultothedevelopmentofowntoolcompany.Inthispaper,UG(Unigraphics)softwaretorealizetheslotmillingcutterIndexableCAD/CAMintegrationofresearchanddevelopment,accordingtothestructureofindexablemillingcharacteristicsofindexablefacemillingcutterindesignandCNCmachiningparametersusedintheprocessfeature-basedmodelingmethod,usingsize-drivengraphics,tomeettherequirementsinNCmachiningsimulationmodelingandproductsecondseriesofrequirementstoachieveCAD/CAMintegration.摘要ByUGsoftwaremodeling,wedesignedahelicalendmillsandindexablefacemillingcutter,achievingthefiniteelementanalysis.Wecangottheresultofstress-strainanalysisintheworkingstate.Keywords：indexablemills；Carbidetools；cutterdesign;ANSYS;HelicalEndMills第1章前言在机械加工切削过程中，刀具起着决定性的的作用。刀具设计的水平，直接反映出机械加工的水平。随着生产的发展，无论在加工的复杂性、精密度方面，还是在生产率和工件质量等方面，人们对刀具提出了越来越高的要求。钻刀、铳刀、齿轮刀具、蜗轮蜗杆刀具、成形刀具等都属于复杂曲面刀具，复杂曲面刀具的设计一向是刀具设计领域的难点。这些复杂曲面又都属于数学曲面，都有相对应的数学表达式与之相关联，这些复杂曲面刀具的设计也就离不开数学曲面理论的研究。螺旋立铳刀和球头立铳刀的数学方程一直是一个难点，螺旋线螺旋面理论是螺旋刀具设计的理论基础，通过对该理论的研究，能够建立精确的立铳刀数学模型，并且为刀具更合理的结构设计与功能设计的开发提供保证。根据螺旋线和螺旋面理论对螺旋立铳刀和球头立铳刀的建模，实现刀具设计的参数化。可转位面铳刀由多个零部件(如刀体、刀槽体、定位环、拉杆、螺钉等)组成，是一种系列化程度很高的产品。对于平面铳削，一般首选可转位面铳刀，因为可转位面铳刀具有较多端面有效齿，加工效率高，较适合铳削切深10mm以下的平面。通过对可转位面铳刀的设计以及建模，对可转位面铳刀有着更深的理解，并熟练掌握UG这个软件。CAD是计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)的简称，是工程技术人员以计算机为工具，用自己的专业知识对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。它以提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本为主要目的。目前，流行的CAD技术基础理论主要是以UG、Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC/I-DEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。利用UG、Pro/E的三维和AutoCAD的二维功能，本课题可以实现以下技术指标：＞通过UG软件完成螺旋立铳刀的建模并在ANSYS中进行受力分析；＞通过Pro/E软件实现二齿球头立铳刀的建模；＞通过UG完成可转位面铳刀的建模，并通过AutoCAD进行二维工程图的绘制。随着CAD技术的不断研究、开发与广泛应用，对CAD技术提出越来越高的要求，因此CAD从本身技术的发展来看，其发展趋势是参数化、三维化、智能化、网络化、集成化和标准化。国内对CAD技术的研究，开始于20世纪70年代初期，研究工作主要集中在高等学校和科研院所，研究内容主要是计算辅助几何设计和计算机辅助绘图。进入80年代以后，我国的CAD技术的研究得到了较快的发展，在二维交互绘图系统、三维造型和几何设计、有限元分析、数控编程等方面都取得了很多成果，不少自主版权的软件已经在国内行业中得到推广应用。但从总体上来说，我国的CAD软件，无论是从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面，都与发达国家存在着不小的差距，主流的CAD软件基本上都是国外产品。本课题研究的目的和意义是：通过UG设计一种螺旋立铳刀和一种可转位面铳刀，并用ANSYS软件分析刀具的受力状况，熟练掌握UG这个软件的设计和开发，培养独立思考的能力，养成良好的科研精神。第2章螺旋立铳刀的有限元分析刀具制造的现状刀具的材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。其中，刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本及刀具耐用度有着重大影响，而刀具的形状也对切削产生极大的影响。钻刀、铳刀、齿轮刀具、蜗轮蜗杆刀具、成形刀具等都属于复杂曲面刀具，复杂曲面刀具的设计一向是刀具设计领域的难点。这些复杂曲面又都属于数学曲面，都有相对应的数学表达式与之相关联，这些复杂曲面刀具的设计也就离不开数学曲面理论的研究。螺旋线螺旋面理论在刀具设计中的应用研究，使得刀具设计中复杂曲面的内容变得浅显易懂，便于设计者应用数学理论指导刀具设计。随着计算机技术的发展，高效能计算机和功能强大的软件系统能够轻而易举的完成复杂曲面的数学计算，从而使刀具设计向更先进方向发展。刀具是制造业企业生产制造所必须的关键装备，制造业发展的优劣往往会受刀具技术整体水平的影响。随着制造业的进步，刀具制造技术需要快速、稳步的发展。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。但国外劳动力的成本占生产成本的很大一部分，通过提高刀具的切削效能而使操作工人解放出来，缩短切削加工的时间，从而降低成本。这种思想的主导作用，使得西方国家比较重视研发，制造出的刀具质量上乘，这其中包括刀具制造相关设备的研发投入。没有先进的制造方法，和性能稳定的加工设备，自然也就不能制造出切削效能高的刀具，和我国仍然应用人工操作的现实情况形成鲜明对比，虽然科学技术突飞猛进，但我国仍然还有很大部分的刀具生产企业采用早期的手动操作方式，比如数控铳削刀具的刀槽加工、刃磨为了缩小与发达国家的差距，国内•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。通过对市面上现有的刀具考察得知，欧美的刀具仍然是刀具领域里的贵族，无论是切削性能还是切削寿命，都是刀具行列里的佼佼者:其次是日本的刀具，然后依次是香港、台湾、中国大陆。从而可以明确目前刀具行业的格局。2.2UG简述Unigraphics（简称UG）是美国EDS公司出品的一个产品工程解决方案，是userguide（用户指南）的简写，是集计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程（CAD/CAM/CAE）为一体化的软件，最早应用于美国麦道飞机公司，它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件，针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。2008年06月，SiemensPLMSo代ware发布NX6.0,建立在新的同步建模技术基础之上的UGNX6将在市场上产生重大影响。同步建模技术的发布标志着NX的一个重要里程碑，并且向MCAD市场展示Siemens的郑重承诺。NX6将为我们的重要客户提供极大的生产力提高。。UG6在功能方面显得更加的强大和完善。UG系统的特点UG是…个商度集成的CAD/CAM/CAE软件系统，可应用于整个产品的开发过程，包括产品的概念设计、建模、分析和加工。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性；同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的二次开发语言UG/OpenAPI、UG/OpenGRIP简单易学，实现功能多，便于用户开发专用CAD系统⑺。UG系统的主要功能模块UG系统主要由CAD,CAE,CAM等模块组成，并且实现了每个模块之间数据的自由交换，再加上一些专业模块以及其强大的二次开发功能，使得该软件成为业界实用最广泛的软件之一，在众多的功能模块中，其中实体建模是基础，是主模块。其主要功能模块如下：.CAD模块2cAM模块;3.CAE模块;4.饭金模块;5.管道、布线模块;6.其它模块.3CAD技术发展历程计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)简称CAD,是指工程技术人员以计算机为工具，应用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称⑶。CAD技术把设计人员所具有的最佳特性，包括创造性思维、形象思维与经验知识、综合判断与分析的能力，同计算机的强大记忆与信息检索能力、大量信息的高速精确计算与处理能力、易于修改设计、工作状态稳定且不疲劳的特性结合起来，从而大大提高设计速度与效率，提高设计质量，降低成本。进入90年代以后，随着计算机技术在我国的蓬勃发展，许多高校和一些软件公司根据我国的国家标准进行了大量的二次开发工作，开发出适用于我国国情的CAD软件。由于我国较国外CAD起步较晚，大部分企业在使用CAD技术的水平和效率方面仍然很低，多数没有体现计算机辅助设计这个概念，盲目地上了三维CAD,结果成了“展示”企业形象的工具，在用于解决企业生产技术方面却成了“摆设”。我国的CAD软件，无论从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面，都与发达国家存在不小的差距，主流的CAD软件基本上都是国外产品。4螺旋立铁刀的设计分类依据机械工业出版社出版的《金属切削刀具与磨具标准应用手册》和国防工业出版社出版的《航空工艺装备设计手册一刀具设计》中对铳刀部分的类型介绍,以及当前知名刀具企业的铳刀系列的类型分类，归纳整理出现有的立铳刀系列。

(-直柄立铳刀

削平柄立铳刀

普通立铳刀J 莫氏锥柄立铳刀短莫氏锥柄立铳刀7:24锥柄立铳刀直柄粗加工立铳刀粗加工立铳刀R 削平柄直柄粗加工立铳刀莫氏锥柄粗加工立铳刀套式立铳刀 r可转位立铳刀J 肖平柄柄直柄立铳刀] 莫氏锥柄立铳刀柿店八仝包要之钻力1硬质合金斜齿直柄立铳刀硬质口金斜齿乂铳刀 硬质合金斜齿锥柄立铳刀立铳刀J 削平柄直柄立铳刀可转位螺旋立铳刀1 莫氏锥柄立铳刀镶齿套式面铳刀锥柄面铳刀可转位面铳刀圆柱形铳刀模具铳刀A可转位面铳刀圆柱形铳刀模具铳刀B类套式面铳刀( 直柄圆柱形球头立铳刀削平柄直柄圆柱形立铳刀莫氏锥柄圆柱形球头立铳刀直柄圆锥形立铳刀削平柄直柄圆锥形立铳刀直柄圆锥形球头立铳刀削平柄圆锥形球头立铳刀莫氏锥柄圆锥形立铳刀I 莫氏锥柄圆锥形球头立刀铳刀图2.1立铳刀的设计分类

将刀具的整体结构分为刀柄结构、刀刃结构、过渡结构、辅助结构四部分，同时针对于每部分结构进行更细致的划分，从而跨越不同类型区别，如图将螺旋立铳刀的结构分成四大部分图2-2刀具整体结构图刀具整体结构刀柄结构过渡结构刀刃结构辅助结构柄部特征定位槽特征图2-2刀具整体结构图刀具整体结构刀柄结构过渡结构刀刃结构辅助结构柄部特征定位槽特征I 整体对焊L 刀刃形状< 刀刃材料特征r端齿刃部特征J端刃特征圆周刃特征,齿数图2-3刀具的整体结构分类针对于每部分特征进行更细致的划分，实现刀具细致结构的分类整理。该细致特征的划分基本上包括了前面针对螺旋立铳刀的10种类型的分类。通过所有列选项中任意一项的排列组合，实现刀具三维模型的创建，经过计算能够达到2万多种刀具类型，其他至于更细致特征的差异和区别将具体有针对性的完善，限于精力和时间本文不在此继续阐述。5螺旋线理论螺旋线的基本概念我们把由绕定轴旋转并且同时平行于该轴移动所构成的合成运动，称为螺旋运动。在数学中的描述为:两个向量。和u的合成，并记作(V,w,p)。此处v-螺旋轴，P•螺旋参数。如果给定螺旋，则可知螺旋运动，反之亦然。当p=O(u=0)时，仅有轴的旋转，并记作(V＞。);当p=co((O=0)是，只有沿直线运动。一点只作常螺旋运动的轨迹称为常(圆柱)螺旋线，它位于以v为轴的圆柱上，半径等于该点到轴V的距离⑶。如图2.2所示。已知螺旋运动(V,3,p),令V为右手笛卡尔坐标系的轴oz,串为螺旋角的转角，h为螺旋轴上移动量，则d6/dt=3；dh/dt=u;p=u/3=常数。当最简单的情况下，”=必，h=ut,“=p%则长螺旋形的向量方程为：(2-1)r=ae(wt)+atk(2-1)r=ae(W)+pW攵 >r=iacos(W)+%sin(W)+%pW

参数化方程为(2-2)x=acos(\|/)y=asin(\|/) >(2-2)z=pwJ一般螺旋线的概念一般螺旋线是这样的曲线，如图2.5所示，它每点的切线和空间的某一方向相夹成定角，如果取轴oz作为这个方向并把切线和轴oz的夹角记作r,那么一般螺旋线每点的。cos尸常数。当把一般螺旋线投影到圆柱面，其上的一般螺旋线和圆柱的所有母线夹成定角。一般螺旋线也可定义为作合成运动的一点的轨迹。这个合成运动是由一点沿平行于轴oz的直线以给定速度u(t)移动和该直线保持与本身平行的运动所组成。而直线的固定一点在平面oxy内沿给定的曲线以速度v(t)移动，且速度比为一常数：3=p=常数这说明：(1)一点在平行于轴OZ的直线上的位移与该点在平面曲线上投影的位移成正比；(2)一般螺旋线的弧长与它在平面oxy上投影的对应弧长成正比；(3)一般螺旋线的切线和轴oz,即是和…般螺旋线在平面。xy上投影的圆柱面母线成定角r由cosr=%=~^=P,，得知tanr=,即p=tan。从而确定"为一般螺旋线上dsJl+p2 P每点的升角⑷。圆锥螺旋线图2-6圆锥螺旋线圆锥螺旋线由以下方程确定：

Aa[Asina+Aa[Asina+sina(2-3)X= r1+AA1+A2=bea=°+°o (2-4)圆锥螺旋线不仅与圆锥轴成定角r,而且与圆锥面所有母线相交成定角0,因此又被称为圆柱一圆锥螺旋线，它有轴向变导程和径向变导程两种，如图2.4所示刀具螺旋面生成原理(1)定义:一条母线L作螺旋运动形成的曲面，称为定导程“常螺旋面”或“圆柱常螺旋面”。如果母线L是直线，则螺旋面称为线性螺旋面:若母线L为圆，则称这个螺旋面为圆螺旋面。(2)常螺旋面的基本方程通常把的方程写在-一个动坐标系内，这个坐标系的一根轴和螺旋轴重合，令这个坐标系作螺旋运动，而螺旋运动被分解为以角速度。绕螺旋轴的转动和以速度〃=p3平行与螺旋轴的移动⑸，如下图所示

图2-7常螺旋面x图2-7常螺旋面x=Xcosv-Ksinvy=Xsinv+Xcosvz=Z+pv(3)线性螺旋面线性螺旋面分为可展和不可展两种，如果母线L和螺旋轴相交，那么称为闭式线性螺旋面。如果二者不相交则称为开式线性螺旋面，闭式线性螺旋面是不可展的;开式线性螺旋面则有可展和不可展之分，如果线性螺旋面被垂直于螺旋轴的平面(端平面)所截则在闭式螺旋面的截面内得到阿基米德螺线。闭式线性线螺旋面也称为阿基米德螺旋面，开式线性螺旋面在端平面所截的截面内的渐开线，当为常渐开线时，此螺旋面为渐开线式螺旋面。线性螺旋面的基本方程为x=ax=acosv-/sinrsinvy=asinv+fsinrcosvZ=pv+tcosrt为M点到A点的直线距离(4)阿基米德螺旋面阿基米德螺旋面是闭式线性螺旋面图2-8阿基米德螺旋面X=PCOSWy=psinW > （2-7）z=Pcotr+pWJ6螺旋立铳刀CAD刀刃部分参数化模型创建螺旋铳刀一般是指螺旋立铳刀，它包括端面立铳刀，球头立铳刀，锥刃立铳刀。这些铳刀在结构上属于复杂刀具类型。螺旋铳刀的刀刃通常采用螺旋形刃线,这是因为螺旋形刀刃在切削过程中可改变切屑流向，使切屑沿螺旋槽流出，起到散热、减小切削阻力、防止切屑划伤己加工表面等作用。同时，螺旋角可增大刀具的实际切削前角，提高切削刃的锋利程度网。螺旋铳刀的刀刃部分是铳刀结构中最复杂的部分，为实现对螺旋铳刀刀具的数学描述，必须建立刀具刃线及各特征表面的数学模型。复杂刃形的特征表面主要包括螺旋刀刃外形表面、刀具前刀面、刀具后刀面、刃倾角及沟槽等。其中螺旋刀刃及沟槽的结构是螺旋铳刀的关键特征。目前所有的螺旋铳刀的刀刃部分都是刀具模型建立的难点，根据目前铳刀的结构特点，螺旋刃可以细分为：圆柱刃、圆锥刃两种类型，又由于刀刃部分属于螺旋曲面部分，所有结合上面的螺旋线理论，对立铳刀的刀刃进行建模，同时与螺旋刃有关的特征都是建立在螺旋刃上，所有螺旋刃模型的建立，是刀具模型建立的关键。刀刃建模的思路是：根据刀具螺旋槽所具备的特征，绘制螺旋线，并同时将刀具的截面图形在UG的草图模块下绘出，最后应用UG建模模块下的曲面建模功能生成螺旋刀刃部分，实践证明，这是一种建立刀刃模型的好方法。在UG中建立应用螺旋线螺旋刃部分在外形上属于螺旋面结构，而螺旋面的基本耍素中最关键的是螺旋线和母线。母线按照螺旋线的规律进行移动，从而就能够形成刀具的螺旋面刀刃，也就是螺旋刃结构。根据上面的螺旋线理论，引入螺旋线的参数化方程，应用UG的规律曲线功能，用数学表达式的方法，绘制出螺旋线的三维模型x=acosW(2-8)y=asinw<z=Pw式2.8是螺旋线的参数化方程该方程还不能够应用在UG的建模状态下，需要对该参数化公式进行变换变形，使刀具结构控制参数如螺旋角、螺旋班级、螺旋线轴向长度等参数体现在螺旋线的方程中，这样建立的螺旋线就可以对该刀具参数化模型进行驱动，下式为变换后的参数化方程xt=a*cos(f*t*h*tan(u)/a)yt=a*sin(f*t*h*tan(«)/tz)> (2-9)zt=t*h ，a——刀具截面半径f—螺旋线差值常系数h——螺旋线轴线长度t——参数化方程参数u——螺旋角(与螺旋升角。的关系为：8+u=90°)在UG建模环境下，选择“插入——>曲线一>规律曲线”进入规律曲线的构造器，将变换后的参数化方程，当a=12.5,f=17,1=71,t=0,u=30按照UG的规则输入后生成了满足要求的螺旋线⑺，如图所示

图2-9螺旋线表达式截图生成的曲线如下图所示图2-10螺旋线当改变参数后会改变曲线的形状，从而实习建模的参数化，并最终改变生成的模型形状。例如当作57之后，生成的曲线如图所示：

图2-11改变参数后的螺旋线螺旋线生成以后就可以绘制刀具的截面廓形曲线，也就是母线，一般刀具的母线都是由直线段和圆弧组成。在UG建模状态下，进入草图环境，根据刀具设计的图纸关系，利用UG草图虚线命令进行绘制，并利用尺寸进行约束，如下图所示图2-12截面草图

我们根据图纸可以看出刀具的前角后角分别为5°和10°。端截面母线沿螺旋线扫略而成，应用UG建模的sweep命令，选择螺旋线为引导路径，母线为截面线串，刀具轴中心线作为脊线，实现刀具刃部模型的创建,如图所示图2-13铳刀刃部特征2.63刀柄以及端部形状的实现应用UG强大的建模功能，建立柄部以及刀具前段的角度特征，如下图所示。柄部的长度/为图2-14铳刀建模图7铳刀的有限元分析ANSYS介绍根据上面建立的三维模型，可以进行一系列的后续工作，其中之一就是有限元分析。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,Unigraphics,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS软件在Linux,Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本⑻软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC,SGLHP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。定义属性并划分网格采用自由划分的方式，网格的尺寸为7,划分后的结果如图所示材料为M42高速钢，螺旋角为30°。高速钢的材料属性：C的百分含量为1.05-1.15,Mn=O.15-0.40,Si=0.15-0.65,Cr=3.5-4.25,Ni=0.3,Mo=9.00-10.00,W=l.15-1.85,V=0.95-1.35,Co=7.75-8.75,Cu=0.25,P=O.O3,S=O.O3,杨氏模量为2.1e+lIN/n?,泊松比为0.3,密度为7980kg/m,热膨胀系数=L33e-O.O5K,拉伸强度为970N/mm2,切削长度为12mm,主轴转速为600r/min,进给速度为240mm/min,每转一周的进给量为0.1mm倒。立铳刀通过四面体网格完成划分，这个四面体元素是一个十节点的固体元素,有3个自由度，可以用来计算位移，适合不规则的形状，拥有可塑性的元素，蠕变，膨胀，应力刚化，大变形，大应变和能力。图2-15网格的划分情况施加载荷以及结果下一步是固定刀柄，我们假定的情况是载荷是施加在一条切削刃上，切削长度为12mm,立铳刀的载荷施加情况如下图所示⑼。

图2-16图2-16刀刃受力状态对于处于特定的时间和角度的静态载荷来说，载荷是施加在切削刃上，在0=32°的时候,我们假定Fr=157.15N,Ft=238.77N,Fa=49.77N。我们通过下面3种情况来分析整个受力的状态，第一种情况：是当只有刀尖受力的时候（如图所示）：0甲J.CJ>口,e -X3川….fTzszir*w«3rw*ir图2/7刀尖受力状态得到的分析结果如下图所示图2-19应力图可以得出，最大的位移在刀尖部分，为0.229XE-6,而最小位移在刀柄的后端，基本上没有变化。而应力最大的地方位于刀尖处，因为只有刀尖一点受力,所以出现了应力集中现象，最大应力为880pa。ralf••❷ffeee・二”；••A'xv./、|(m*Ifit©»••图2-20切削刃部分受力图WA«<rfn> •工]■,•*，**・CvttwtaS3QES*•«•!，・一*•・•a••«MtBi»<，••«・》・staticaiMlysXsofaa・Xalllralfr•¥•offdoh■8仆”力Q图2-21位移图最大位移为0.364E-5,仍然是位于刀尖受力的前部。ITS4”tinc・・mt，!■—StjI—o;e0teed。aAHe••”-，G，e-r>;e0teed。aAHe••”-，G，e-r>>0丽回•❹❷ffeee。。，』刍"Q二”，8>-0与生。列■网Ff・，■〈《•»•■<■,・,加―・•・：♦■<■•••・•••■，“・”■—・，1・■・・，，••4••・图2-22应力图最大应力位于刀尖处，为1043pa,第二种情况是符合实际的切削状态，实际的切削长度为12mmo第三种情况，当整条切削刃受力的时候图2-23受力图最后的位移图和应力图分别如下所示图2-24位移图最大位移为0.665E-5,位于刀尖的前部。ImmI |m>I图2-25应力图最大应力是1294pa,但是应力的位置从刀刃部分变为刀柄，说明切削力的位置变化也会影响到刀柄的受力状态。8本章小节本章通过对螺旋线理论的研究，找出螺旋立铳刀的螺旋线方程，并结合UG强大的曲线和造型功能，实现螺旋立铳刀的建模。并结合有限元分析软件ANSYS,分析铳刀在受力下的静态分析，得出相应的结果，定性研究铳刀的受力情况。第3章二齿球头立铳刀CAD1Pro/E简介Pro/E野火版4.0是美国PTC公司的产品，1988年，VI.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊，它使CAD系统的互连互通性能又上了一个新的台阶。Pro/E主要有以下几个特点U°L(1)三维实体造型与曲面造型系统以三维实体造型为主要的造型模式，设计者的设计结果可以真实模型表现出来，并随时进行模型相关物理量如体积、面积、重量、惯性矩等的计算;另外系统还提供了曲面造型模式，设计者可以设计出形状不规则的曲面甚至自由曲面。(2)单一数据库单一数据库是指Pro/E建立在统一基层的数据库上，而不像一些传统CAD/CAM系统一样建立在多个数据库上。(3)行为建模技术Pro/E的行为建模为设计人员提供了他们需要的工具，用来满足工程师或客户目标的智能化产品模型。它们比传统形式的特征工具有更高的智能。这些自适应过程特征可满足特定的工程需求，能被用来捕捉高标准的原始设计意图，并驱动最优模型设计。(4)参数化设计参数化设计是指在工程设计中，用可变参数而不是固定尺寸表达零件形状或部件装配关系，即通过设置参数就可以表达零件形状或部件装配关系，同时也允许通过修改以完成零件形状或部件装配关系的修改。二齿球头立铳刀的设计流程基于工艺设计流程的设计工具的开发必须依据零件的工艺设计过程。两齿球

头立铳刀的工艺设计流程如图3-1所示，本系统所构建的设计工具包括:刀体设计工具、主螺旋沟槽、副螺旋沟槽、周刃后角设计工具、端齿后角设计工具、标准GASH工具及端刃前角设计工具等。刀体

设计刀体

设计图3-1两齿球头立铳刀的工艺设计流程二齿球头立铳刀的CAD设计1.两齿球头立铳刀三维模型的建立根据铳刀的设计参数使三维设计软件Pro胆进行建模，对于每一个设计步骤建立相对的设计模型。下面描述建立两齿球头立铳刀模型的完整步骤。第一步：建立刀体部分。点击旋转特征，选择RIGHT基准面，进入草绘模式，在草绘模式下按如图3-2绘制草图，点击输入旋转角度360度，点击J,则得到刀体部分如图3-2所示。

图3-2草图刀体如图3-3所示图3-3生成的刀体图第二步：建立螺旋主沟槽因为球头立铳刀的特殊性，所以在Pro/E环境下，螺旋主沟槽分为两部分：周刃螺旋主沟槽和端刃螺旋主沟槽。采用的建模方式也不一样，前者采用混合的方式建模，后者采用可变剖面扫描建模。A建立周刃螺旋主沟槽在草绘模式下绘制如图34的草图，将其存档备用。打开第一步建立的刀体，在球头的最下端新建基准平面DTMI,在Pro/E菜单中，点击插入——>混合——>

切口——＞一般——＞规则截面一＞草绘截面，在属性菜单管理器中选择光滑。进入草绘环境在草绘菜单下选择数据来自文件导入A所画的草图，重复16次，这里把周刃螺旋主沟槽分为17个平面。完成后得到有周刃主沟槽特征的模型如图3-5,将其存档备用。图3-4周刃螺旋主沟槽截形MSMt'KSSWs«1V)g。♦«>J4c -M 图3-4周刃螺旋主沟槽截形MSMt'KSSWs«1V)g。♦«>J4c -M 一八；；・・i二r/caeQU3WtnTmmHin•nnui—.•rtnuuE*,Mto»iwuuMu.■i*Tntm(WMWi图3-5周刃螺旋主沟槽形状B建立端刃螺旋主沟槽扫描端刃螺旋主沟槽，需要扫描轨迹，在此选择端刃曲线作为扫描轨迹。为获得光滑的S形端刃，根据日本牧野铳床精机公司的研究，球头立铳刀的端刃曲线应是正交螺旋面和球面的交线，其曲线方程式求法如下a.球面方程式TOC\o"1-5"\h\zx=Rcoscos° 、y=Reossin8A (3-1)z=Rsin8 」式中R为球头半径b.正交螺旋面的方程X=Rxcos9Y=Rxsin8 > (3-2)Z=—02JiRx——螺旋面选定点的半径P——螺旋面上的导程c.端刃曲线的方程式由于交线既在球面上也在正交螺旋面上，故有TOC\o"1-5"\h\zcP 0(3-3)sinB= 0= (3-3)2兀Rtan3 LcosB=>/1-sin2P=JI-(---)2Vtan3 」式中：3——半径为R的外圆柱面上的螺旋角将3-3式代入3-1,便得到端刃曲线的方程式(3-4)(3-4)Pro/e曲线方程为a=2*sqrt(3)*pi(3-5)theta=36O*t(3-5)x=7*cos(theta/a)*sqrt(1-(t)A2)y=7*sin(theta/a)*sqrt(1-(t)A2)z=7*t打开上一步所建的周刃螺旋主沟槽模型，点击可变剖面扫描七，选取中心线、端刃曲线分别作为原始轨迹和扫描轨迹，如图3-6所示，进入草绘环境，选取数据来自文件导入A所画的草图。图3-6选取原始轨迹线端刃螺旋主沟槽如下图所示:图3-7建立端力螺旋主沟槽第三步：建立螺旋副沟槽因为球头立铳刀的特殊性，所以在Pro/E环境中，螺旋副沟槽同样分为两部分：周刃螺旋副沟槽和端刃螺旋副沟槽。采用的建模方式也不一样，前者采用混合的方式建模，而后者采用可变截面扫描建模。A：建立周刃螺旋副沟槽在草绘模式下绘制如图3-8的草图，将其存档备用。打开第二步建立的模型,在Pro/E菜单中，点击插入 ＞混合 ＞切口 ＞一般 ＞规则截面1 ＞草绘截面，在属性菜单管理器中选择光滑，进入草绘环境。在草绘环境下，在草绘菜单下选择数据来自文件导入A所画的图，重复16次，这里把周刃螺旋副沟槽分成17个平面，完成后得到有周刃螺旋副沟槽特征的模型如图3-9所示，将其存档备用。图3-8周刃螺旋副沟槽截面形状最终建立的周刃螺旋副沟槽如下图所示：

■sr>>«■»<)"9vn«)・1e一”•(3A■sr>>«■»<)"9vn«)・1e一”•(3A、口1T。，.：；；，〃工卜22，S»2Ksxxn MTMvemiMfiWi*.cimxhi”a.B端刃螺旋副沟槽«>«>kstiaua>aav-x**a)vn«)生碧3诙一招范•2——»-Bi。。;‘，〃"小I《I'*M«>«>kstiaua>aav-x**a)vn«)生碧3诙一招范•2——»-Bi。。;‘，〃"小I《I'*M3-10端刃螺旋副沟槽第四步建立刃后角因为球头立铳刀的特殊性，所以在Pro/E环境中，刃后角同样分为两部分：周刃后角和端刃后角。采用的建模方式也不一样，前者采用混合建模，而后者采用可变剖面建模，方法和第二步、第三步基本类似，在这里不再详述。周刃后角和端刃后角模型建成如图3-11和3-12所示=!k!izBL』ir』3*r *1=!k!izBL』ir』3*r *1kr«.saan»Wtii««<Mir4W.Mtm9V»^nn9.♦3UXfHW)•rirameffa.3-11周力后角ms«■«> /s«•*•1W)ms«■«> /s«•*•1W)»WKaan Mru•C»*aowj«.oshr3・•MW*r-«e«»•rtroonenw.ve3-12端刃后角第五步在草绘模式下绘制如图3-13的草图，将其存档备用。打开第一步建立的刀体,在Pro/E菜单下，点击插入 ＞混合 ＞切口 ＞一般 ＞规则截面 ＞草绘截面，在属性菜单管理器中选择光滑，进入草绘环境。

图3-13截面形状最终建立的模型如图3-14所示图3-14处理后的结果第六步建立三次刃后角运用Pro/E强大的曲面界面功能。运用曲面实体化功能去除多余的材料，得到的最终球头立铳刀的实体模型如图3-15

图3-15最终效果图4本章小节通过本章的学习，进一步的掌握了Pro/E的曲面造型功能，同时也加深了对球头立铳刀的认识，对于Pro/E这个软件的掌握程度进一步增强。第4章 台阶式可转位面铳刀设计16300可转位面铳刀介绍刀片可转位刀具是一种新型的机械夹固式刀具，它与一般机械夹刀不同，对可转位面铳刀而言，其优点显著体现在以下方面：.生产率高面铳刀本身就是一种铳削较大平面的高效率刀具。刀片避免了焊接和刃磨，更能保证刀片质量，充分发挥其切削性能，提高铳削速度和走刀量。与焊接铳刀相比，一般生产效率在铳削钢时可提高1〜5倍，走刀量可提高3〜5倍。.换刀省时省事在生产中要把笨重的铳刀从铳床上拆下来，装上去是很费力和麻烦的事情。而且铳刀刃磨时间长，铳床停机时间也长。若改用可转位铳刀，刀片的调位的换片可在铳床上进行，不需要装拆铳刀，大大缩短了生产辅助时间和减轻了工人劳动强度。特别在自动机和自动线上这一点更为重要。.采用先进的结构形式可保证刀片很高的定位精度，不需要调整也能保证铳刀径向和轴向偏摆不超过允许数值（一般为0.03毫米左右）。.可转位铳刀比焊接铳刀更抗冲击和耐磨，有效地避免了焊接式铳刀普遍存在的崩刃打刀现象1皿。UG的特征造型技术在一系列造型软件中属于上乘作品，在高端领域可以和CATIA并驾齐驱。造型完成之后，通过UG强大的装配功能，可以轻松实现产品的装配设计。可转位面铳刀的装配体分析可转位面铳刀的装配体如图3-1所示。刀体、刀槽体、以及定位环都属于旋转体特征，通过旋转特征可以实现，而螺钉、弹簧、定位销属于标准件，应该按照标准件的画法来实现特征，最后将所有的零件装配起来，采用特征造型技术作为铳刀参数化设计和制造的辅助手段加以应用，取得了很好的设计效果⑺。

图4-1可转位面铳刀装配体1.刀体2.刀槽体3.定位环4.拉杆5.刀片6.螺钉M6X307.螺钉M16X708.圆柱销9.垫圈4)300台阶式可转位面铳刀结构特点①铳刀上的每个齿分别排列在不同的直径和高度上，在轴向和径向成阶梯形分布。切削力大为坚守，为普通端铳刀切削力的1/9,因此能适应各种薄壁易震零件的端面加工；②采用弹簧楔块夹紧，具有定位加紧可靠，更换刀片操作方便、节省辅助时间等优点；③节省刀具耗费费用，由于刀片采用阶梯形排列，在同一铳刀上刀片有粗精之分，刀片的磨损程度不一，不需要更换全部刀片，可以将后面的几片移到前面作粗铳之用“时（b300台阶式可转位面铳刀刀具参数以及使用条件刀片的材质采用：YG6,为铝钻类硬质合金，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料，6表示含钻量的百分比，这种车刀一般分三种YG3,YG6,YG8依次用于粗、半精、精加工刀片的型号为4XH16,刀具的几何参数为k=80°；丫轴=-4°；丫径=14°；a轴=15°,a径=9°56'；z=12。使用条件：机床适用立铳、卧铳、专用铳床。可加工零件：各种箱体类薄壁零件。材料铸铁HT20—40,硬度为HB170〜241切削用量：铳削速度v=221m/min,进给速度为v/=l18mm/min;铳削深度为ap=3~3.5mm使用效果①解决了薄壁零件铳削口寸容易产生振动的难题。②减少了辅助时间，提高生产率12%③降低刀具消耗费用50%④加工表面粗糙度6以上，已经广泛应用于批量生产的机床4.26300可转位面铳刀的建模步骤主要零部件的建立1.刀体的三维建模刀体为何转体零件，其建模过程主要有五个步骤：1）绘制草图可以直接根据图纸上标注的长度及方向，在草图功能中绘制。也可以利用UG中存在的先将轮廓大体上绘制完毕，然后再选用尺寸关系将每个尺寸定位，确定其位置，绘制完效果如图4-2所示。

完成草图绘制后，利用UG设计特征的模块，选择回转特征，然后根据提示选择上一步中供绘制的草图，回转轴为YC,回转开始点利用点构造器，选为原点,旋转角度为360度，生成结果如图4-3所示。

图4-3刀体轮廓的生成3）刀槽的生成刀槽的生成是刀体建模中最为关键的一步。首先采用插入基准平面的方法，将刀槽的一个面定位，然后在此基准平面内绘制相应的草图，再利用拉伸除料生成刀槽的初步；根据角度的关系，插入相应角度的基准平面，确定刀槽其余两个而的角度，并在基准平面内绘制草图，完成刀槽的建模。如图44所示。

图4-4刀槽的生成4）完成孔部件的建模过程，利用