基于ProMechanica的数控立铣刀优化设计张崇波毕业论文

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

第一章 CAD/CAE/CAM的简述

1.1 CAD/CAE/CAM的发展历程

1963年美国教授I.E. Su terland成功研制出了世界上第1套实时交互的计算机图形系统SKETCHPAD，它标志着CAD技术的诞生。在1952年美国MIT试制成功了世界上第1台数控铣床，解决了复杂零件的加工自动化，促使了数控编程技术的发展。20世纪50年代中期，MIT研制开发了自动编程语言(APP)提出了被加工零件的描述、刀具轨迹的计算、后置处理及数控指令自动生成等CAM基本技术。从此以后，CAD技术与CAM技术便相辅相成地发展起来，在过去的40多年中，CAD/CAM技术经历了如下四个主要发展阶段【14~15】：

① 20世纪50年代的初始准备阶段美国麻省理工学院(MIT)于1950年在“旋风”计算机上采用阴极射线管(CRT)做成图形终端，并能显示图形。50年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计算机图形学的研究。

② 20世纪60年代前期的研制试验阶段此阶段是交互式计算机图形学发展的最重要时期。该时期较著名的交互式系统有：1963年美国学者Ivan.Su therland研究的“sketchpad”系统；1964年美国通用汽车公司的“DAC一1”系统；1965年洛克希德公司推出的“CAD/CAM”系统，贝尔电话公司的“GRAPHIC一1”系统等，但当时刷新式显示器价格十分昂贵，CAD系统因此难以普及。

③ 20世纪60年代末至70年代的商品化阶段交互图形技术日益成熟并得到广泛应用，此时期CAD/CAM的发展着重于绘图技术，几何模型化及工程分析研究工作，仍以分离的单个软件应用为主。此时它们大多是6位机上的三维线框系统及二维绘图系统，只能解决一些简单的产品设计问题。

④ 20世纪80年代后的迅速发展阶段20世纪80年代工业界开始认识到CAD/CAM新技术的重要性，大量推出新原理、新方法、新软件，并把单一功能软件集成，使之不但能绘制工程图形，而且能进行自由曲面设计、有限元分析、三维造型、机构及机器人分析与仿真等多种应用。与此同时，计算机硬件及输人、输出设备也有较大发展，32位的工作站可以和小型机、甚至中型机相媲美，价格低廉的彩色光栅图形显示器占据统治地位，计算机网络获得以广泛应用，所有这些都大大促进了CAD/CAM的更大发展。30年来，工业发达国家的CAD技术不断创新、完善，逐步发展形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。

CAE技术比起CAD、CAM发展得晚，在20世纪60-70年代，处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中所遇到的结构强

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

度、刚度以及模拟实验和分析。20世纪70-80年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向与各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展，使CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。

1.2 CAD/CAE/CAM的概念、作用和关系

CAD在早期是英文Computer Aided Drafting（计算机辅助绘图）的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步地认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计，真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分，于是CAD的缩写也由Computer Aided Drafting改为Computer Aided Design，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。

CAE（Computer Aided Engineering）通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析（线性、非线性、静态、动态）、场分析（热场、电场、磁场等）、频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。

CAM（Computer Aided Manufacture）可完成自动生成零件加工的数控代码，并可进行加工过程的动态模拟、干涉和碰撞检查等。是为数控机床服务的。

CAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。所以如果CAD开展的不好，CAE和CAM就很难做好。

1.3 CAD系统概述

先进的CAD系统均由硬件和软件两大系统组成。硬件系统是由计算机及其外围设备和网络组成。软件系统是由支持软件和应用软件组成。按照设计模型的不同，CAD系统分为二维CAD和三维CAD系统。二维建模是最初的CAD技术依赖几何模型来解决二维绘图问题的，之后发展为三维的几何建模技术。三维几何建模方法有线框建模、表面建模和实体建模。由于三维CAD系统的建模包含了很多的实际结构特征，使用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造及制造过程。随着几何建模技术的发展和应用的要求，出现了参数化和变量化的建模技术，并日趋广泛使用。当设计对象的结构形状比较定型时，多采用参数化建模技术，而当设计对象需要更大的修改自由度时，则采用变量化建模技术。

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机器的运动仿真及分析，是采用CAD系统的应用软件。对设计模型进行仿真和分析，模拟真实环境中的工作状况进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷（如：零件结构中应力、应变分布是否合理、运动副运动中的干涉状况等）和潜在的失败因素，提前进行改善和修正，从而有效地减少了设计周期，也为优化设计奠定了良好的基础。常用的软件有：UG、I - DEAS、SOLIDWORKS、SOLIDEDGE、MDT、Pro/E 等，Pro/E 是最成功的一种设计软件[16]。

1.4 CAE系统概述

1.4.1 概述

近20年来，在市场需求的推动下，CAE技术有了长足的发展。随着计算机技术的高速发展，极大地推动了相关学科研究和产业的进步。CAE作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。21世纪，是信息和网络的时代。随着计算机技术向更高速和更小型化的发展和分析软件的不断开发和完善，CAE技术的应用将愈来愈广泛并成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志。大力推进我国计算机辅助工程技术的科学研究和工业化应用势在必行[17]。

1.4.2 CAE系统的主要功能

产品的生产过程均可分为初步设计、详细设计、生产准备和制造四个阶段。CAE指的是初步设计和详细设计两个阶段中的模拟分析计算。CAE系统所具有的主要功能：

1）基于几何模型的CAE系统可以很容易地计算零件的质量参数；2）具有机构分析功能的CAE系统，可以检查机构的运动是否与设想的一致，以及在运动过程中是否发生碰撞，即进行干涉效验；3）基于数理模型的CAE系统，利用有限元法、边界元法和模态分析法，可以对所设计的产品进行强度分析、振动分析和热分析。

1.4.3 国外CAE技术概况

衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，一些发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS和NASTRAN等。这些软件具有良好的前后处理界面、静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车和电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场

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产品的多样性、复杂性、可靠性和经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。

1.4.4 我国CAE技术现状

随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达50亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。我国的工业界在CAE技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低。大多数的工业企业对CAE技术还处于初步的认同阶段，CAE技术的工业化应用还有相当的难度。这是因为，一方面我们缺少自己开发的具有自主知识产权的计算机分析软件，另一方面还大量缺乏掌握CAE技术的科技人员。提高我国工业企业的科学技术水平，将CAE技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。

1.5 CAM系统概述

CAM中的核心技术是数控技术，编制零件加工程序是数控技术应用的重要环节，靠手工编程无法满足复杂零件数控加工的需求，50年代初期，美国开始了数控自动编程技术-APT语言的研究，形成了早期的CAM系统；如20世纪60年代开发的编程机及部分编程软件∶FANUC、Siemens编程机。目前，CAM技术已经成为CAX（CAD、CAE、CAM等）体系的重要组成部分，可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体＋曲面）上进行加工编程，生成正确的加工轨迹。典型的CAM系统有UG、Pro/E、Cimatron 、MasterCAM等。其特是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。CAM系统仅以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式，已经成为智能化、自动化水平进一步发展的制约因素。只有采用面向模型、面向工艺特征的CAM系统，才能够突破CAM自动化、智能化的现有水平。

CAM技术的发展趋势将体现在以下几方面：

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

（1）面向对象、面向工艺特征的结构体系

传统CAM曲面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/CAE/CAM的集成化、自动化、智能化达到一个新的水平。

（2）基于知识的智能化系统

未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。

（3）提供更方便的工艺管理手段

CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，未来CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及即时修改提供了条件。较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程全自动批次处理。据报道，未来的CAM系统将能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并能以超文本格式进行网络浏览。

1.6 本课题的提出和研究内容

高精度数控刀具结构非常复杂，而且在精度、可靠性和寿命等方面都有很高的要求。想要实现对它的建模和分析，必须要有一个集CAD、CAM及CAE于一体的软件，才能完好的实现。Pro/E是一套具有优秀的三维造型功能、强大的参数化设计和同意数据库管理等特点的CAD软件。本课题提出了“基于Pro/MECHANICA的立铣刀有限元分析”的研究课题。以高精度数控刀具——以二齿平头、四齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象，将有限元设计方法引入高精度复杂刀具的强度、刚度分析中，进行基于Pro/MECHANICA的刀具优化设计。具体研究内容如下：

（1）建立数控立铣刀的三维设计模型；

（2）在三维模型的基础上，基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：

1）通过静力分析，得到铣刀的受力和变形的初步分析结果；

2）通过局部灵敏度分析，挑选出对刚度影响较大的参数；

3）通过全局灵敏度分析，挑选出影响刚度的参数变化范围。

（3）对有限元结果进行分析，得到优化的设计模型，完成刀具结构的优化设计。

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第二章 基于Pro/E的有限元分析原理

2.1 CAE子系统的框架及实现流程

2.1.1 高精度数控刀具CAD/CAM系统简介

高精度数控刀具CAD/CAM系统的框架如图2.1所示，系统从功能上可分为：系统集成框架、CAD子系统、CAE子系统、CAM子系统及共用产品数据库等模块，各模块的功能描述如下：

（1）系统集成框架： 基于Visual C++6.0开发完成的。其主要功能是根据用户的不同工作要求实现对系统资源（如产品数据库、文件库等）的合理配置、调用、检索、管理以及对各系统模块的协调和管理等。

（2）CAD子系统：基于Pro/ E开发环境，利用Pro/ Toolkit和ACCESS开发工具Visual C++6.0语言开发的相对独立的“CAD子系统”。其主要功能是基于Pro/ E强大的参数化功能，在Pro/ Toolkit的模块环境中，实现了立铣刀三维造型的参数化设计。

（3）CAE子系统：使用Pro/MECHANICA分析软件将Pro/ E产生的刀具模型与数据导入系统用灵敏度分析的方法对刀具强度进行分析，以及分析刀具结构的合理性，获得最优截形参数。

（4）CAM子系统：基于Visual C++6.0、ACCESS数据库管理系统开发的一个相对独立的子系统模块。该模块主要实现以下几项功能：1)完成刀具的工艺设计，系统可以生成工艺过程卡的各工序内容；2)将数控加工的工序内容自动转化为相应的NC宏程

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序；3)实现对报表的打印和NC代码传输等功能。

（5）共用产品数据库：用于存放结构设计与工艺设计中所需的各种数据。

2.1.2 CAE子系统的框架及实现流程

CAE子系统框架图如图2.2所示。本文对立铣刀进行静态有限元分析，在此基础上进行局部灵敏度分析和全局灵敏度分析，挑选出对模型刚度影响最大的参数，进行优化设计。灵敏度分析是对优化设计作铺垫，优化设计是由用户指定研究目标、约束条件、设计参数，然后在参数的给定范围内求解满足研究目标和约束条件的最佳方案。

图2.2 CAE子系统框架

Fig .2.2 The Framework Of CAE Subsystem

2.2 基于Pro/MECHANICA的有限元分析原理

2.2.1 Pro/ENGINEER软件简介

1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0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。目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。

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1. 主要特性

（1）全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

（2）基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。

（3）装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

（4）易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

2. 常用模块

Pro/DESIGNIER 是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和/或原型制造中。

Pro/PERSPECTA-SKETCH 能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图象中快速的生成一个三维模型。

Pro/ASSEMBLY 构造和管理大型复杂的模型，装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。

Pro/FEATURE 允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。

Pro/SCAN-TOOLS 满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。把模型数字化，它的形状和曲面就可以以点数据的形式输入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能产生高

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质量的与物理原型非常匹配的模型。

Pro/SURFACE 能够使设计人员和工程人员直接对Pro/ENGINEER的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。

Pro/MECHANICA 进行有限元分析。

Pro/MESH 对Pro/ENGINEER中创建的实体模型和薄壁模型进行自动的有限元网格划分，能够使拥护快速的评价不同描写在各种条件下的不同模型构造。一旦网格划分完成，模型可以输出到先导FEA程序中。

Pro/MFG 扩展了完全关联的Pro/ENGINEER环境，使其包含了铣、车、线切割EDM以及轮廓线加工等制造过程。生成加工零件所需的加工路线并显示其结果，通过精确描述加工工序提供NC代码。

Pro/MOLDESIGN 为模具设计师和塑料制品工程师提供使用方便的工具来创建模腔的几何外形；产生模具模芯和腔体；产生精加工的塑料零件和完整的模具装配体文件。

除此以外还有很多模块，由于篇幅限制，就不赘述了。

2.2.2 有限元分析（Pro/MECHANICA）简介

Pro/MECHANICA是美国PTC（Parametric Technology Coporation，参数技术公司）开发的有限元软件。该软件可以实现和Pro/ENGINEER的完全无缝集成。

同其他有限元软件相比，Pro/ENGINEER软件可以完全实现几何建模和有限元分析的集成。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。使用Pro/MECHANICA恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。由于Pro/ENGINEER具有强大的参数化功能，那么在Pro/MECHANICA中就可以利用这种参数化工具的优点，进行模型的灵敏度分析和优化设计，具体地说，当模型的一个或多个参数在一定范围内变化时，求解出满足一定设计目标（如质量最小、应力最小等）的最佳化几何形。

因此，可以说Pro/MECHANICA软件可以真正使工程师们将精力集中在设计工作中，在设计初期就将设计和分析结合起来，从而实现智能设计。使用Pro/MECHANICA不需要较深的有限元知识，用户只要略懂材料属性和应力应变基础就可以进行复杂模型的分析工作。

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2.2.3 基于Pro/M的有限元分析任务

在Pro/M中，将每一项能够完成的工作称之为设计研究。所谓设计研究是指针对特定模型用户定义的一个或者一系列要解决的问题。在Pro/M中，每一个分析人物都可以看作成一项设计研究。Pro/M的设计研究种类可以分为以下三种类型：

（1）标准分析：最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中，用户需要制定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。

（2）灵敏度分析：可以根据不同的目标设计参数或者无形参数的改变计算数列的结果。除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、制定参数的变化范围。用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。

（3）优化设计分析：在基本分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。

概括地说，Pro/M STRUCTURE 能够完成的任务可以分为两大类：

A.设计验证，或者称之为设计校核。在Pro/M 中，完成这种工作需要一次进行以下步骤：

a.创建几何模型。b.简化模型。

c.设定单位和材料属性。

d.定义约束。

e.定义分析载荷。

f.定义分析任务。

g.运行分析。

h.显示、平价计算结果。

B.模型的设计优化，这是Pro/M区别于其他有限元软件最显著的特征。在Pro/M中进行模型的设计优化需要完成以下工作：

a.创建几何模型。

b.简化模型。

c.设定单位和材料属性。

d.定义约束。

e.定义载荷。

f.定义设计参数。

g.运行灵敏度分析。

h.运行优化分析。

i.根据优化结果改变模型。

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第三章 铣刀的特性与参数

3.1 刀具材料

3.1.1刀具材料的发展状况

刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。

现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用， 并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料(包括自润滑刀具材料) ， 特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点[12]。

刀具材料的发展， 高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN) 。端面铣削使用CBN 刀具时， 其切削速度可高达5000m/ min ， 主要用于灰口铸铁的切削加工。聚晶金刚石(PCD) 刀具被称之为21 世纪的刀具， 它特别适用于切削含有SiO2 的铝合金材料， 而这种金属材料重量轻、强度高， 广泛地应用于汽车、摩托车发动机、电子装置的壳体、底座等方面。目前， 用聚晶金刚石刀具端面铣削铝合金时， 5000m/ min 的切削速度已达到实用化水平， 此外陶瓷刀具也适用于灰口铸铁的高速切削加工。

涂层刀具: CBN 和金刚石刀具尽管具有很好的高速切削性能， 但成本相对较高。用涂层技术能够使切削刀具既价格低廉， 又具有优异性能， 可有效降低加工成本。现在高速加工用的立铣刀， 大都用TiAIN 系的复合多层涂镀技术进行处理， 如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时， DLC(DiamondLikeCarbon) 涂层刀具就受到极大的关注，预计其场前景十分可观。

3.1.2 刀具材料的选择依据

切削工具的硬度必须是工件硬度的2~4倍。如图3.1所示为以碳钢（210HV左右）和模具钢（370HV左右）作为被加工材料，选用立铣刀材料。若立铣刀主要损伤形态是磨损，为提高立铣刀寿命，可选择更硬的材料，直到钎焊CBN刀片的立铣刀，价格当然较贵。立铣刀若是因缺损、破损而不能再用，则需反过来选韧性好的材料，直至高速钢立铣刀。若选用高速钢，则切削速度必须下降，工件硬度过高，高速钢可能无法切削、耐磨性不能保证、耐折损性不足和表面粗糙度值高。

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图3.1 选择立铣刀材料的依据

Fig .3.1 The Gist Of Choosing Cutter Material

3.2 铣刀的铣削方式

我们所要研究的就四齿平头铣刀、二齿平头铣刀和二齿球头铣刀。铣刀的铣削方式有很多种，如下所示：

（1）顺铣和逆铣 圆周铣削有顺铣和逆铣两种方式。逆铣铣削时，在铣刀与工件的接触点处，铣刀速度有与进给速度方向相同的分量。由于铣刀刀刃切入工件时的切削厚度不同，刀齿与工件的接触长度不同，所以顺铣和逆铣时给铣刀造成的磨损程度也不同。实践表明，顺铣时，铣刀使用寿命比逆铣提高2～3倍，表面粗糙度也可减小。

（2）对称铣削与不对称铣削

① 对称铣削 为端铣的一种方式。它切入切出时，切削厚度相同，有较大的平均切削厚度。铣淬硬刚时应采用这种方式。

② 不对称逆铣 为端铣的另一种方式。切入时厚度最小，切出时最大。铣削碳钢和合金钢时，可减小切入冲击，提高使用寿命。

③ 不对称顺铣 切入时厚度较大，切出时厚度较小。实践证明不对称顺铣用于加工不锈钢和耐热金属时，可是切削速度提高40%～60%，并可减少硬质合金的热烈磨损。

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

3.3 高精度刀具的设计参数

立铣刀的几何参数不同，其变形量及刚度值也不相同， 在其它参数相同的情况下:随着铣刀直径的增大，其刚度值逐渐变大，随着螺旋角的增大，应力逐渐减少，而刚度逐渐增大。利用这种方法， 可以优选出使变形最小、刚度最大的刀具几何参数， 从而提高其切削性能。下面以二齿平头立铣刀为例，介绍它的设计参数。

1. 刀体设计

刀体设计参数见表3.1，未注明单位为mm，刀体模型如图3.2所示。

表 3.1铣刀设计参数表

Table 3.1 The Parameter Table of End Milling Cutter

图3.2 刀体 Fig.3.2 The Body

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

2．螺旋沟槽1及周刃前角设计

设计参数见表3.2，草绘截面如图3.3所示。

表3.2 沟槽1设计参数

Table 3.2 The Parameter Of Flute One

3．螺旋沟槽2及周刃后角设计

设计参数见表3.3，草绘截面如图3.4所示。

表3.3 沟槽2设计参数

Table3.3 The Parameter Of Flute Two

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

图3.3 草绘1

Fig. 3.3 Sketch One

四齿平头立铣刀和二齿球头立铣刀设计参数分别见附录1。

研究内容: 以二齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象,具体内容包括：(1)建立数控立铣刀的三维设计模型;(2)在三维模型的基础上,基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1)通过静力分析,得到铣刀的受力和变形的初步分析结果;2)通过局部灵敏度分析,挑选出对刚度影响较大的参数;3)通过全局灵敏度分析,挑选出影响刚度的参数变化范围。

第四章 高精度数控立铣刀建模及有限元分析过程

4.1 二齿平头立铣刀建模及有限元分析过程

4.1.1二齿平头立铣刀在Pro/E环境下的建模及参数化

1. 建模过程

采用混成法建立三维模型，步骤如下［１～２，４，６，

８］：

（1）运行Pro/E2.0软件，选取零件模块，进入用户界面。

（2）设定工作目录。

（3）建模，步骤如下：

A.用旋转命令生成刀体。如图4.1所示。

B.选择插入-混合-切口，来绘制沟槽。

a.在菜单管理器中选择“一般，草绘截面，完成”然

后选择“光滑，完成”再选草绘平面“TOP面，正向，

缺省”进入草绘界面。

b.选择“草绘-数据来自文件”，选择草绘截面1--打开，

将草绘截面放置位置如图4.2所示。然后点击 ，

系统提示是否继续下一截面，回答Yes。再次打开草绘 图 4.1 三维刀体 截面1，点击 ，输入第二个截面的旋转角度为-3 Fig.4.1Milling Cutter

度，以下相同。共创建40个截面。

c、同样方法剪切草绘截面2，放置位置如图

2. 模型的参数化