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1、,球头铣刀的应用分析及基于UG二次开发的参数化建模,答辩人： 孙朝阳指导教师： 李志山 博士研究生答辩时间： 2016.6.3,西北工业大学明德学院本科毕业设计答辩,目 录,CONTENTS,绪论,整体球头铣刀的结构设计,球头铣刀的参数化设计,球头铣刀参数化程序设计,目 录,CONTENTS,绪论,整体球头铣刀的结构设计,球头铣刀的参数化设计,球头铣刀参数化程序设计,1,绪论,球头铣刀的时代背景,引言我们今天科技水平不断地提升，CAD/CAM技术也在不断的创新与发展。在现代数控加工中，对刀具的性能要求、个性化的定制需求也越来越多。球头铣刀因能加工复杂的曲面结构，而备受“青睐”。(1) 由于铣刀
2、的端刃过铣刀的轴心，可以使铣刀做轴向、横向的进刀运动，方便加工模具的内腔轮廓和其他错综复杂的曲面结构。(2) 由于端刃为弧形刃，一般不产生局部的集中磨损，因而刀具寿命较高。(3) 铣削过程中，螺旋刃从一侧缓慢的切入，切出的过程，总体来说是较为平稳的，由于三个切削分力较小，铣削过程中的波动范围也此较小。,球头铣刀的国内现状,1.2,严重失衡状态！,（1）高速钢刀具生产过剩，实际需求强烈的硬质合金刀具却严重生产不足（2）低生产附加值的刀具生产过剩，现代工业生产中急需的刀具却远远不能满足要求,加强刀具的参数化设计和制造的重要性不言而喻！,球头铣刀的在日常加工中的应用,1.3,球头铣刀作为一类高效的曲
3、面加工刀具，被广泛应用于模具、汽车、航空等多种领域。我们一般使用高速钢或特殊加硬高速钢制成球头铣刀，对于很多钢材和一般铁材，它都具有良好的加工性能，并被广泛用于各种曲面和圆弧沟槽加工，同时球头铣刀还具备耐高温的特性，可以维持450-550/500-600摄氏度的切削性能的最高温度。,目 录,CONTENTS,绪论,整体球头铣刀的结构设计,球头铣刀的参数化设计,球头铣刀参数化程序设计,球头铣刀的结构分析,2.1,球头铣刀：刀刃曲线 螺旋槽端截面 前后刀面的建模,按刀刃曲线形状：等导程螺旋线球头铣刀 等螺旋角螺旋线球头铣刀,刀具界面分析,2.2,球头铣刀的一个重要参数就是前角，它决定着刀具的锋利程
4、度。在试验中，切削力因为可以减小切削部分的塑性变形，所以对加工也是至关重要的，减小切削阻力，可以降低工件表面粗糙度，提高加工质量。前角过大容易产生应力集中，造成切削区域温度过高，且降低刀具的抗冲击性，发生崩刃、碎裂等现象。,球头铣刀的周刃螺旋线,2.3,任意时刻母线所在平面的方程,基于回转面母线p(x)的刀刃曲线数学模型,螺旋角是螺旋切削刃展开成直线后与铣刀轴线间的夹角。圆柱半径为R0，则可得刀刃螺旋的导程P，可求出刀刃螺旋角。,控制切削屑，减小震动，提高了连续性,根据约束得周刃螺旋线：,球头铣刀的球刃螺旋线,2.4,刀具的设计和制造过程中，需满足周刃与球刃需在过渡处的圆滑连接，可知，球刃螺旋
5、线在过渡点 Q 的刀刃螺旋角与周刃的螺旋角相等即可满足条件。,球头铣刀退刀槽扫掠线,2.5,退刀槽的扫掠线可以看做是正交螺旋线在砂轮外圆柱上的投影，有与退刀槽与柱面的周刃螺旋沟槽连接，扫描曲线方程应在周刃螺旋线的基础上计算。,“S”形刃建模曲线的确定,2.6,球头刃的磨削可以分为主沟槽、副沟槽两部分，其分别由前刀面、后刀面1、后刀面 2、容屑槽等组成。前后刀面与球面的交线成为了“S”形刃球刃曲线。,以球心坐标为原点，圆柱中心轴为 Z 轴，得球刃前刀面刃磨底部曲线,在实际建模过程中，前刀面确定需要球头部分底面曲线及其偏移线为网格曲面的边界，偏移线为一条过刀毂半径 R1与 R2的焦点 D，且平行于
6、球头部分底部曲线的一条曲线，前刀面底部曲线偏移线 的方程为：,通过上述砂轮的运动得出球头铣刀的“S”形刃，刀刃的形状与刀具螺旋角相关，增大螺旋角可以提高刀具实际切削前角，有效地实现斜角切削的优点，减小铣削冲击性及切屑的变形，降低能量的消耗，改善加工表面质量，减少刀具磨损。而球刃曲线为等导程螺旋线时，球刃上各点的刃倾角不同，切屑的流向沿球刃方向是变化的，钛合金铣削过程中，切削区域的温度较高，为了避免因排屑不畅而产生刀具粘接破损、工件表面灼烧等现象，刀具螺旋角设计应在 30 42之间，螺旋角度的变化对“S”形刃的影响如图 2-17所示：,目 录,CONTENTS,绪论,整体球头铣刀的结构设计,球头
7、铣刀的参数化设计,球头铣刀参数化程序设计,直柄等导程球头铣刀实体建模,3.1,刀具特征变量设定,3.2,单击工具菜单下的表达式选项“=表达式(X)Ctrl+E”，添加刀具结构所需的变量名，并设定初始值及变量的几何意义,球头铣刀的周刃螺旋槽,3.3,创建球头铣刀周刃螺旋线，点击插入曲线规律曲线，选取默认坐标系，UG 提供参变量为t(t 0 1)的参数方程，,选择菜单栏插入选项扫掠扫掠，截面曲线选取图 所绘草图曲线，引导线为周刃螺旋线，指定矢量方向为 ZC 轴，形成球头铣刀周刃的沟槽螺旋面。,球头铣刀退刀槽,3.4,刀 具 的 建 模 过程 中， 砂 轮 的 磨 削运 动轨 迹 即 为 退 刀槽
8、的扫 描 曲 f(r3,xt3,yt3,zt3)，由于退刀槽与周刃螺旋沟槽连接，退刀槽扫掠的截面曲线与周刃螺旋槽的截面曲线相同，可根据周刃螺旋线的参数方程计算退刀槽扫掠线的参数方程。,点击编辑菜单栏移动对象命令，选取退刀槽扫掠曲线为移动对象，指定矢量方向为 ZC 轴，轴点为坐标原点 O，旋转角度为 180，两条曲线相互对称。,球头铣刀退刀槽,3.4,绘制脊线 OM，起点坐标为坐标原点 O 点，矢量方向为 ZC 轴，长度为 L12，选择菜单栏插入选项扫掠扫掠，截面曲线的起始位置为周刃螺旋线与退刀槽扫掠线的交点，引导线 1、2 分别为退刀槽扫掠曲线及其对称线，直线 OM 为扫掠面的脊线，得如图 3
9、-10所示的扫掠面：,选取插入菜单栏组合缝合命令，目标片体与工具片体分别为上述周刃螺旋面与退刀槽扫掠面，通过剪切体命令对圆柱棒料进行布尔求差，工具平面为上述缝合面，最后得出球头铣刀周刃螺旋槽及退刀槽部分。,球头“S”形刃的主沟槽,3.5,球头刃曲线可以看做是前、后刀面和球面的交线，根据第二章分析得出，球刃螺旋线满足等导程即可实现刀具周刃与球刃的圆滑连接，且满足球刃螺旋线为过球头顶点。,球头铣刀球刃部分的主沟槽，是利用球头刃前刀面底部曲线及其偏移线为边界约束绘制出砂轮磨削前刀面部分时的砂轮轨迹包络面，根据方程(2-24)、(2-25)建立球头刃前刀面底部曲线 f(r4,xt4,yt4,zt4)及
10、与其相对应的前刀面底部曲线偏移线 f(r5,xt5,yt5,zt5)：,绘制草图 2 的曲线如图 3-15所示，草图 2 的基准平面为 XOY 平面的偏置面且过球头顶点，前刀面底部曲线及其偏移的的两个端点分别为草图 2 中基圆的两个直径端，使用插入菜单栏网格曲面通过曲线网格命令绘制砂轮包络面，草图 1 的 1/4曲线及草图 2 的 1/4 曲线为截面曲线 1、2，前刀面底部曲线及其偏移线为交叉曲线 1、2，最后应用所得的砂轮包络面修剪刀具球头部分，得到“S”形刃的主沟槽：,球头“S”形刃的主沟槽,3.5,球头“S”形刃的副沟槽,3.6,创建以 YOZ 平面为基准平面的草图 3，草图曲线为草图
11、2 的另一 1/4 曲线旋转平移线，通过扫掠命令分别建立球刃副沟槽的第一后刀面、第二后刀面，球刃螺旋线为引导线，刀具截形线中的 L2、L3分别为扫掠面的截面曲线，通过插入网格曲面通过曲线网格命令绘制球刃齿毂曲面 2，最后分别缝合 3 个曲面，使用修剪体命令完成球刃副沟槽的构造。,最后通过旋转阵列等命令重复上述操作，得出完整的球头刃及周刃等，刀具模型及表达式变量作为后续的参数化程序模板文件。刀具三维模型命名COM_PART，存放在二次开发的根目录下。,目 录,CONTENTS,绪论,整体球头铣刀的结构设计,球头铣刀的参数化设计,球头铣刀参数化程序设计,程序流程图,4.1,菜单栏及人机交互界面设计
12、,4.2,首先在计算机中定义变量名为 UGII_USER_DIR 的环境变量，设置其变量值为 E:Ball-end milling cutter，并在相应变量值下创建 startup、application、part、database 四个文件夹，并在 VS2010 程序平台内添加应用程序开发向导Unigraphics NX App Wizard。,开始时，新建一个文本文档，修改其格式为.men，通常需要自定义球头铣刀参数化设计的主菜单及下拉菜单，文件保存于用户目录startup文件夹下，其中，ACTIONS后面为菜单要执行的动作，自定义菜单栏效果如图3-19所示:,球头铣刀的球刃螺旋线,4.
13、2,利用 UG 的用户界面样式编辑器自定义球头铣刀参数化设计对话框所包含的各个控件及其回调函数，保存对话框到 application 目录中，语言类型选择“C+”。UG/Open UIStyler 开发工具将自动生成ballmill.dlg，ballmill.h 和ballmill_template.c 三个文件，其中 ballmill_template.c 是 UG 公司提供的类模板文件，文件中包含 UG/Open 程序框架，通过框架调用 UG/Open API 函数及ballmill.dlg 资源即可实现用户交互界面的访问，系统运行时的效果如图 3-20所示：,用户根据上述的程序框架修改
14、ufsta 程序入口，对 ballmill.cpp 源文件编写接口函数，并在工程内添加相应的库文件，使用户交互界面的头文件、源文件与 UG/Open API 函数结合进行编译和连接，生成动态链接库文件 ballmill.dll，其中用户交互界面的响应函数如图 3-21所示：,建立COM组件,4.3,COM 组件作为系统的中间层，它的质量直接影响着系统的运行效果，本实例中，采用两个 COM 组件，即 ADOOper 组件和 COM_PARA_DESIGN 组件，作用分别是访问后台球头铣刀数据库和球头铣刀参数化设计。参数化设计基于 3.2 节建立的 COM_PART 刀具模板文件，使用 VS向导中的 ATL COM App Wizard 创建 COM 服务器框架工程，设定组件对象的接口，添加接口方法到对应的工程对象中，过程方法如图 3-22所示：,
