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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CONTENTS1234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CONTENTS1234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CONTENTS1234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CONTENTS1234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L1×2，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3-10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CONTENTS1234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-endmillingcutter，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UnigraphicsNXAppWizard。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4.2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/OpenUIStyler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/OpenAPI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/OpenAPI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4.3COM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ATLCOMAppWizard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：COM组件之间的数据主要通过接口进行传递，只要交换数据的格式及接口的类型不变，组件内的函数变化不会影响COM间的联络，应用程序的客户端也就不需要作任何修改。在球头铣刀参数化设计的组件编译连接前，添加libufun.lib、libugopenint.lib库文件到组件工程内，4.3建立COM组件为充分发挥API和COM组件技术各自的优点，将数据库的操作与用户交互界面的编辑分别集成与COM组件及DLL动态链接库中，将用户交互界面内的文本框、列表等控件的资源建立连接，通过外部函数的调用来访问。Read_para_from_database函数主要把str_mid数组中的数据显示在主界面中，最终结合COM_PARA_DESIGN组件驱动刀具模型更新，客户端程序经编译、连接得到Client_PARA_DESIGN.dll文件放于用户目录startup下，供UG/OPENAPI调用，最终实现球头铣刀的参数化建模，运行效果如图总结与展望本文在理论研究的基础上结合球头铣刀的铣削实验验证，利用UG/open和C++语言结合相关的数学知识，球头铣刀参数化建模和二次开发工作。1.针对球头铣刀的几何结构，依据典型回转类刀具刀刃曲线的数学模型，建立球头铣刀周刃、球刃部分的等导程螺旋线及退刀槽扫描线的参数方程，分析刀具截形线的几何意义，通过数学描述的方法对各条线段进行关系约束。2.本论文在详实的理论基础上开始研究具有很高的使用价值，尤其是研究成果能很大程度上改变球头铣刀的设计流程、提高刀具生产效率，快速满足市场的需求并对实际加工过程和参数选择进行指导;同时本文中对UG二次开发的研究，对其他类似产品的开发也有一定的参考价值。3.由于时间所限，还远未达到预期中用于实际生产的程度。若要满足软件的实际应用，还有些部分需要完善；让参数化的系统更加多样化，支持多刃的球头铣刀。欢迎各位老师批评指正！谢谢！