一种微铣刀参数一体化设计方法与流程

本发明涉及一种微铣刀参数一体化设计方法，其属于机械切削刀具设计制造领域。

背景技术：

在刀具行业中，刀具的“专用化”是改善刀具性能的一个重要方向，也是刀具发展的一个主要趋势，专用化程度提高必然引起刀具种类增加、批量降低，因此，挑战刀具设计与制造的精准性、灵活性和适应性。目前刀具参数化设计虽然可以自动建模，很大程度上提高刀具设计的效率，但其刀具设计方法未涉及到微细铣削领域且刀具设计过程与切削工艺优化过程分离，这样就忽略了刀具、切削条件及刀具切削性能共同对加工的影响。因此迫切需要研究专用刀具设计的新技术，大大提高专用化刀具的设计效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种微铣刀参数一体化设计方法，它以加工需求为驱动，利用切削过程中涉及的理论，并通过刀具设计特征，将刀具的设计和切削工艺过程结合起来，进而实现针对加工需求的专用刀具设计。

该方法主要借助ugnx二次开发平台实现微铣刀参数一体化设计系统的搭建。该系统可将刀具设计过程与切削工艺优化过程联系在一起，通过一体化设计系统界面输入所要加工对象的参数信息、选用的刀具结构及初始刀具参数信息，系统自动生成刀具、工件模型并在后台进行切削仿真，在交互界面显示切削仿真结果(切削力、切削温度、刀具磨损)，系统根据仿真结果及相应的优化准则提出一定的优化方案，经过系统反复迭代输出适合加工该工件的最优刀具参数。

为达到上述目的，本发明通过以下方式搭建微铣刀参数一体化设计系统，首先进行微铣刀的参数化设计，然后构建切削仿真模型并提出相应的优化准则，最后将微铣刀的参数化设计模块、工件信息模块、切削仿真模块结合完成微铣刀参数一体化设计系统。

具体的设计方法如下：

(一)微铣刀的参数化设计

借助ugnx二次开发平台实现微铣刀的参数化设计：设置系统开发环境；通过ugopen的menuscript和uistyler模块分别完成系统菜单、用户对话框的创建；借助ug中的表达式功能将刀具参数串联，在visualstudio中编写对话框程序文件，生成动态链接库，实现改变对话框中的刀具参数，微铣刀模型随之改变的功能，进而实现微铣刀快速设计。为搭建微铣刀参数化设计系统提供基础。

(二)构建切削仿真模型并提出相应的优化准则

根据刀具模型、所要加工工件的信息，系统借助有限元仿真软件构建切削加工仿真模型，而后将相应的仿真结果：切削力、切削温度、刀具磨损显示在交互界面。

逐一分析刀具参数与其对应的仿真结果，得到随刀具参数变化各个仿真结果变化趋势图，最终得到加工该种工件刀具参数的最优区域。使得刀具选择此区域中的刀具参数时加工工件时切削力较小、切削温度较低、刀具磨损较小。

(三)微铣刀一体化设计系统

本系统包括微铣刀的参数化设计模块、工件信息模块、切削仿真模块。用户在系统交互界面选择所需要的刀具结构并输入所要加工的工件信息及刀具初始参数，系统会自动生成刀具三维模型并在后台调用有限元仿真软件进行切削加工仿真，而后再将有限元软件中的仿真结果显示在系统中的用户界面，并依据优化准则提出相应的优化方案，不断迭代输出最优刀。

本发明具有如下有益效果：

本发明的微铣刀参数一体化设计方法为刀具设计提供了一个新的技术方案，它将刀具的设计过程与切削工艺过程联系在一起，大大提高了专用化刀具的设计效率。刀具设计方法通过设计系统发挥作用，将三维模型的输出与人性化的软件界面相结合，不仅能让设计人员包括制造人员更方便快捷，更直观的了解产品各方面特点，同时其仿真模块也为刀具设计的准确性提供了保障。

附图说明

图1为本发明的一种微铣刀参数一体化设计方法流程图；

图2为本发明的微铣刀参数一体化设计系统界面；

图3为本发明的微铣刀结构参数图；

图4为本发明的微铣刀螺旋槽截面模型；

图5为本发明的微铣刀各方向铣削力分力p-v值与法向前角的关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本发明设计方法进行详细阐述。

实施例1

本实施例提出一种微铣刀参数一体化设计方法，该方法基于刀具设计系统，首先基于应用场景初步设定所需微铣刀的参数以及切削任务参数，自动构建切削仿真模型，然后，根据仿真模型结果通过数学分析方法提出相应的优化准则过程，经过迭代，使得最终输出切削性能好的刀具参数。

在刀具设计系统中输入微铣刀参数，系统自动建立微铣刀的三维模型，具体的该过程包括以下步骤：

步骤一：设置配置系统开发环境，建立用户目录；

步骤二：通过ugopen的menuscript和uistyler模块分别完成系统菜单、用户对话框的创建，生成相应的菜单文件、对话框文件、头文件、源文件；

步骤三：对微铣刀进行结构研究，分析各个截面的几何模型，对微铣刀端面和轴截面参数进行分析，计算前角、后角、螺旋角、刀刃数等参数不同时，该截面各个参数的变化，得到微铣刀各个截面参数的相关性。例如，四齿立铣刀各个截面轮廓的参数可如图3所示。

其中，d——铣刀加工部分直径，刀柄部会有突出倒角；

l1——铣刀加工部分长度，即铣刀参与切削加工的最大长度；

l2——铣刀刀柄长度；

la——铣刀刀体总长度；

β——切削刃螺旋角；

γc——铣刀侧刃前角；

lγc——铣刀侧刃前刀面宽度；

αc1——铣刀侧刃第一后角；

lαc1——铣刀侧刃第一后刀面宽度；

αc2——铣刀侧刃第二后角；

lac2——铣刀侧刃第二后刀面宽度；

r——铣刀侧刃容屑槽底部圆弧半径；

γd——铣刀端刃前角；

lγd——铣刀端刃前刀面宽度；

αd1——铣刀端刃第一后角；

lad1——铣刀端刃第一后刀面宽度；

αd2——铣刀端刃第二后角；

lad2——铣刀端刃第二后刀面宽度；

接着利用ugopen中表达式提供的参数化建模机制，控制特征，并使其随对话框参数值改变而改变。又参数可在多个特征中使用并具有相关性从而将各个特征联系起来，研究出微细铣刀三维模型的建立方法，建立精确的微铣刀参数化三维模型。如图4所示，为四齿立铣刀其中一齿的螺旋槽轴向截面曲线方程模型，螺旋槽截面沟槽由前刀面直线ef、第一后刀面直线ab、第二后刀面直线bc、与前刀面ef相切的容屑槽底部圆弧de及过渡桥接曲线cd五段曲线构成。

根据图中初步建立的螺旋槽截面模型，可以得到直线ef的方程：

其中，t∈[0，1]。

由于前刀面ef的宽度已知，可以由ef直线的方程计算出e、f两点的坐标，进而求出λ1的取值。

得到e点坐标之后，由于前角大小及前刀面长度已知，可以得到容屑槽底部圆弧de的圆心o1的位置坐标。

在将容屑槽底部圆弧de和前刀面ef由相切约束在e点之后，容屑槽位置就已经固定。接下来建立第一、第二后刀面直线的方程。

其中，t∈[0，1]。

第一后刀面ab宽度已知，故可求出λ2的取值，并且给出b点的坐标方程。

在b点坐标方程已知的基础上，我们就可以推出第二后刀面直线bc的方程。

其中，t∈[0，1]。

第二后刀面bc宽度已知，故可求出λ3的取值，并给出c点的坐标方程。

在第二后刀面bc和容屑槽底部圆弧de中间利用桥接曲线相切连接，即可得到我们建立的立铣刀螺旋槽截面参数化模型。

步骤四：在visualstudio中编写对话框程序文件，添加相应的对话框回调函数，生成动态链接库，完成对话框中的刀具参数与三维模型相应特征的对接，实现改变对话框中的刀具参数，微铣刀模型随之改变的功能，进而实现微铣刀快速设计，同时也为搭建微铣刀参数化设计系统提供基础。

根据仿真模型提出相应的优化准则过程，经过迭代，使得最终输出切削性能好的刀具参数，具体的，该过程包括以下步骤：

步骤五：根据用户给定的工件信息及初始刀具信息在有限元仿真软件中构建切削仿真模型进行计算，而后输出需要的仿真结果；

步骤六：根据单一刀具参数变化时切削力、切削温度、刀具磨损仿真结果变化图，分析该种刀具参数与其对应的仿真结果的关系，获取参数最优区间，如图5所示，可见，随着微铣刀负法向前角的增大(绝对值)，进给力和横向进给力的p-v值先减小后增大，再减小，成波浪状，且在-45°时最小，轴向切削力的p-v值变化不大。单从切削力角度可以选法向前角为-45°时的微铣刀，而法向前角为-55°时的微铣刀较差。以此综合各个参数的分析结果得到刀具参数最优区域，形成该种刀具的优化准则。当初始刀具参数不符合优化准则时，系统给出相应参数的优化方案，通过刀具参数的调整实现表达式的调整，进而控制微铣刀三维模型特征做出改变，继续仿真出结果，反复迭代，最终使得仿真结果落在最优区域，得到与该种工件匹配的切削力较小、切削温度较低、刀具磨损较小的刀具。

步骤七：最优刀入库：

系统输出最优刀的同时，会将该种工件信息和与其匹配的刀具参数信息导入到数据库中，供后期调用，进一步提升刀具设计效率。

上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。