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可转位球头立铣刀的建模与基于实例推理的CAD系统开发与研究机械制造及其自动化专业研究生程佑明指导教师吴能章提要：建立了平装可转位球头立铣刀的几何数学模型。
并在该模型的基础上，以面向对象语言Visual C++6.0为编程工具，以SQL Server 2000为数据库平台，以SolidWorks2001为三维实体建模软件，综合运用计算机图形学技术、特征建模方法、动态链接库（DLL）技术、组件对象模型技术、实例推理（CBR）技术、ODBC数据库互连技术开发和探讨了基于实例推理的面向对象的人机对话的三维参数化CAD系统。
利用该系统可计算出可转位球头立铣刀刀体上刀片槽的空间位置及加工调整参数、刀片圆弧半径、铣刀前角、后角等几何角度沿切削刃的分布情况、刀片系列化所引起的加工表面的几何形状误差等，可绘制并输出可转位球头立铣刀的所有零部件的三维实体图、装配图以及二维工程图。
关键词：可转位球头立铣刀端刃几何建模实例推理面向对象3D Modeling and Developing and Reserching of intelligent CAD system of Ball-Nose End Mills with Indexable Inserts Major: Mechanical manufacturing and automation1 概述1.1引言计算机辅助设计是计算机科学与工程设计学科相结合而形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。
它的迅速发展和广泛应用，给古老的工程设计制造业带来了蓬勃生机，使传统的产品设计方法与生产组织模式发生了深刻的变革。
CAD技术尤其是智能化CAD技术，不仅在机械设计中能处理数值型的工作，如计算、分析与绘图；而且能处理在设计活动中存在另一类推理型工作，包括方案构思与拟订、最佳方案选择、结构设计、评论、决策以及参数选择和形成专家系统等，这就为企业缩短产品设计周期、增强市场应变能力、参与国际市场竞争提供了强有力的技术手段，已经产生、必将继续产生巨大的社会经济效益。
本科毕业论文（设计）论文题目：基于 SolidWorks的球头立铣刀参数化设计摘要本课题针对数控刀具的设计与制造现状进行研究分析，以 SolidWorks2011为CAD开发平台，利用 SolidWorks提供的API技术，结合Visual Basic技术,对SolidWorks进行二次开发,探索能够满足现代企业需求的“直柄立铣刀的三维参数化设计系统”的开发途径。
本文主要以四刃球头立铣刀为例进行研究。
本文从球头立铣刀的几何模型着手，在国外关于球头立铣刀的设计、分析等方面研究的基础上，通过对传统等螺旋角刃口曲线的模型进行分析，建立了球头立铣刀柱面、球面上等导程螺旋线的数学模型。
并联系加工过程等计算出球头立铣刀刃部与球头部分前刀面成形曲线的数学模型。
本论文应用 SolidWorks API技术和VB技术对 SolidWorks进行二次开发，研究了基于 SolidWorks的刀具三维参数化设计系统的开发思路和开发规，通过调用 SolidWorks部的API函数对刀具参数化模型进行驱动，达到通过改变参数可以得到一系列不同尺寸的铣刀模型，使铣刀的设计变得方便、快捷。
关键词：球头立铣刀， SolidWorks，数学模型，参数化，VBTechnology of Parametric Design System for Ball end MillBased on SolidWorksAbstract3D Parameterized Design System for Helix—Bladed Milling Cutter Base on SolidWorks2011 platform was developed to satisfy the requirement for design andmanufacturing of numerical control cutter in machining shop．The development tools，Visual Basic were applied in the development process,This designsystem provides an effective program platform to design Four blade Helical ball-end cutter.In this Paper, Based on the geometric model and discretization of the milling cutting edge, a internal analyse and research about design and analysis of the ball-end cutter is reviewed. By the traditional analysis of the equal helix angle edge curve model，a mathematical model of the equal Spiral lead is established on the cylinder and sphere of the ball-end cutter.With Practice and Process to calculate the ball- end cutter knife groove back, And contact the processing and calculation of a ball-milling blade Ministry and the ball head part of the rake face forming the curve of the mathematical model.SolidWorks API technology and VB tool were employed in the development process．The aim of development SolidWorks is to implement 3-dimensional Parameterized design of helix—bladed milling cutter．The special module was embedded the CAD platform SolidWorks, Achieve by changing the parameter can be a series of different size cutter model, the design of the cutter becomes convenient, fast.Keywords：Ball end mill， SolidWorks，Mathematical model，Parametric，VB目录第一章绪论11.1引言11.2 球头立铣刀的特点11.3 球头立铣刀三维参数化建模与分析软件21.3.1 参数化建模软件与二次开发方法的选择21.3.2 SolidWorks简介21.3.3 Visual Basic简介21.4课题的意义和研究容21.4.1课题的意义21.4.2 课题的研究容3第二章球头立铣刀的设计32.1 球头立铣刀设计概论32.2球头立铣刀刀刃曲线的分析和数学建模32.3 球头立铣刀螺旋角数学模型42.3.1球头立铣刀螺旋角的作用42.3.2球头立铣刀螺旋角数学模型的建立42.4球头立铣刀刃形曲线数学模型52.5球头立铣刀退刀槽扫描曲线的数学模型72.6端截面形状的数学建模7第三章 SolidWorks的二次开发实现方法103.1 SolidWorks二次开发概述103.2 VB 在SolidWorks 二次开发中参数化的实现方法11 第四章球头立铣刀的参数化设计144.1 参数化设计的概述144.2 四刃球头立铣刀参数化模型的建立16第五章总结22参考文献23致 24附录源程序25第一章绪论1.1引言在当今快速发展的制造业中，切削加工起着十分重要的作用。
专利名称：一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法
专利类型：发明专利
发明人：曹岩,白瑀,付雷杰,夏林斌
申请号：CN201610043013.6
申请日：20160123
公开号：CN105653819A
公开日：
20160608
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种面向加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模方法，包括：确定立铣刀结构参数；建立毛坯体，探测毛坯端面位置；整体开槽，得到砂轮位置参数，建立螺旋槽；外圆精磨，建立周刃后刀面；齿隙磨削，建立扫描切除的轮廓和路径，建立端面齿隙；端面精磨，建立端刃后刀面；完成制造，建立立铣刀参数化模型。
本发明避免了复杂的型面计算，减少了结构参数变量，并且降低了刀具三维模型和实体差异性，从而提高了立铣刀的三维参数化建模过程的速度、简化程度和精确度。
申请人：西安工业大学
地址：710032 陕西省西安市碑林区金花北路4号
国籍：CN
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1. 序言在对转向架构架一系定位座内挡面和电动机后吊座进行加工时，传统的加工工艺是采用粗铣和精铣2个工步，分别使用玉米铣刀和精棒铣刀。
这种工艺方法虽然可以使加工表面满足设计图样要求，但加工效率低，且刀具成本高。
为此对工艺进行了改善，采用整体硬质合金立铣刀，一把刀实现粗铣和精铣2个工步，提高了加工效率，降低了刀具成本。
但由于整体硬质合金立铣刀的直径较小，悬伸量较大，易产生振动，不仅影响构架加工表面的质量，还会对立铣刀的寿命产生影响。
本文通过对不同悬伸量整体硬质合金立铣刀模态分析，为选择合适的悬伸量及合理的主轴转速提供了参考，确保构件的加工效率和表面质量。
2. 立铣刀模态分析模态分析就是确定设计结构或机械部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型。
对复杂结构进行准确的模态分析，不仅为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断及结构动态特性的优化设计提供依据，还可以确定在特定方向上某个振型多大程度参与了振动，使结构避免共振或以特定频率进行振动。
对结构进行模态分析一般不用求解结构系统的全部固有频率和振型，振动可以表述为各阶固有振型的线性组合，其中低阶固有振型要比高阶固有振型对结构的振动影响大。
因此，低阶振型对刀具的动态特性起决定性作用，进行结构的动态分析计算时，只需对其前几阶振型进行分析即可。
本文主要针对φ25mm整体硬质合金立铣刀的不同悬伸量进行模态分析。
装夹刀具时，露出刀柄的部分，即悬伸量（用L表示）如图1所示。
图1 立铣刀悬伸示意整体硬质合金立铣刀的悬伸量为铣刀全长的50%～60%是较优的选择，悬伸量见表1。
表1 整体硬质合金立铣刀的悬伸量（单位：mm）3. 建立有限元模型3.1 立铣刀三维模型的建立Ansys Workbench有限元分析软件只能建立形状相对简单的几何结构，复杂几何结构的建立需要借助其他三维建模软件。
在三维建模软件中建立所需的几何结构体模型，模型建好以后将其保存为Ansys Workbench有限元分析软件可以读取的格式。
·50· 计算机应用技术 机械 2010年第6期 总第37卷———————————————收稿日期：2009－12－23基于加工仿真的立铣刀三维参数化设计金晓波1，康万军1，曹军1，丁国富2（1.成都飞机工业（集团）公司 技装设计所，四川 成都 610092； 2.西南交通大学 先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031）摘要：基于CATIA 软件平台进行二次开发，开发出基于加工仿真的高速立铣刀三维参数化设计的CAD 软件系统。
设计人员输入立铣刀的使用参数和主要结构参数，根据系统的数据库和相关程序自动生成立铣刀的三维CAD 模型以及加工立铣刀的砂轮刀位轨迹及NC 代码，调用VERICUT 软件进行立铣刀磨削加工仿真，从而保证立铣刀参数化设计的三维模型的可加工性，保证刀具设计的质量和缩短刀具设计和制造周期。
关键词：立铣刀；三维参数化；CATIA ；加工仿真中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2010) 06－0050－03Three-dimensional parameter design of end milling cutter based on machining simulationJIN Xiao-bo 1，KANG Wan-jun 1，CAO Jun 1，DING Guo-fu 2(1.Institute of Technology Equipment ，Chengdu Aircraft Industry Corporation ，Chengdu 610092，China ； 2.Institute of Advanced Designing and Manufacturing ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China) Abstract ：Based on second development of CATIA and manufacturing simulation technology, a high-speed milling cutter 3D parameterized design system was developed. On the basis of a few of parameters imported by user, the CAD model could be built with the help of database and algorithm, at same time the tool path and NC code which manufacture the end milling cutter could be acquired. Then NC code was verified in VERICUT, so the manufacturability and quality of cutter can be guaranteed. Key words ：end milling cutter ；three-dimensional parameter ；CATIA ；manufacturing simulation随着铝合金、钛合金整体薄壁结构零件在现代航空工业中大量使用，如飞机侧壁、腹板等结构件及汽车覆盖件模具的加工。
加工变形和加工效率问题成为制约这些零件加工的重要因素。
高速切削技术的应用，使以上问题得到了较好解决[1]。
高速铣削技术是一个综合应用高速加工机床、高速加工工艺以及高速加工刀具的综合工艺系统。
高速铣削刀具是高速加工技术的关键因素之一，因此其设计和制造对高速切削具有重大而深远的意义[2]。
本文结合航空结构件加工的高速立铣刀，探讨基于立铣刀仿真加工的三维刀具参数化设计技术。
1 立铣刀三维参数化设计的系统结构本系统在CATIA 软件平台上进行二次开发，建立基于数控加工仿真的数控立铣刀三维参数化设计的软件系统。
如图1所示的系统主要包括三个功能模块：立铣刀设计的数据库系统管理模块、刀具三维参数化设计模块和刀具加工仿真模块。
为使立铣刀参数化设计系统能有效地支持刀具产品的并行开发，按照面向制造的设计原理来设计和开发立铣刀参数化设计系统，在立铣刀参数化设计完成的同时对其进行加工仿真，验证立铣刀的可制造性，在获得正确三维设计刀具结构的基础上，建立虚拟的加工环境，验证立铣刀加工参数和加工代码，确保立铣刀能按照设计要求正确地被制造出来。
系统的工作流程如图2所示。
2 刀具三维参数化设计模块的实现2.1 立铣刀数学模型分析首先根据刀具使用结构参数确定刀具的设计结机械2010年第6期 总第37卷计算机应用技术 ·51·构参数、加工控制参数以及刀具刀刃曲线；然后计算确定刀具的各种截形和加工刀具的砂轮的运动轨迹；最后进行刀具设计过程中所需的其它相关计算。
立铣刀的周刃和球刃的刃线通常采用螺旋形曲线，是由回转体表面上一点绕轴线作某种螺旋运动而形成的轨迹[3]。
在立铣刀设计过程中存在圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等多种回转曲面，建立立铣刀通用数学建模的目的是为了很方便和统一地表达立铣刀的刃线和截面数学方程，为立铣刀参数化设计奠定基础。
图1 系统组成图2 立铣刀三维参数化设计的系统流程图2.2 刀具三维参数化设计目前国内企业在刀具设计中则大多是在商用CAD（多为AutoCAD）软件平台上由设计人员进行交互式设计。
但这种交互式绘图方式很难利用已有设计结果，劳动强度大，设计效率低，难以满足实际生产需要。
参数化技术通过参数驱动得到零部件的三维实体模型，非常适合于系列化产品设计，因而广泛应用于国外数控刀具的设计制造中。
本文的刀具设计系统基于CATIA三维设计软件进行二次开发，实现立铣刀三维模型参数化设计。
刀具设计人员以参数驱动方式，在刀具模型库中直接调用已有设计模板，或经过参数驱动形成需要设计的刀具。
通过对大量立铣刀结构进行统计分析，建立刀具设计的三维实体特征库、刀具设计需要的特殊型面库和曲线库及其它相关数据库；在设计参数和几何参数分析的基础上，基于数学建模所得到的刀具各种截形和刀具刃形曲线，运用CATIA二次开发技术，通过参数驱动，自动生成刀具的三维实体模型。
刀具的三维参数化设计主要包括以下内容：（1）刀具结构参数的确定和输入根据立铣刀切削的材料和零件构型的要求，给定要设计的刀具的主要结构参数，并根据刀具设计系统的输入界面输入到刀具设计系统。
如针对普通圆柱立铣刀的主要设计参数有：刀具柄部结构和尺寸、刀具长度、切削刃长度、切削部分直径，刀具周刃的前角和后角、端刃的前角和后角、螺旋槽的方向和螺旋角、芯部直径等。
（2）生成立铣刀三维参数化设计时三维建模所需要的参数·52· 计算机应用技术 机械2010年第6期 总第37卷根据刀具的结构参数和类型，生成刀具三维造型所需要的全部设计参数。
生成三维造型所需要的参数大致有两种方法：索引数据库和计算生成。
索引数据库：根据立铣刀的主参数和类型，有些设计参数可以放入刀具设计参数库。
在进行刀具设计时，直接搜索刀具设计的相关数据库，进行参数匹配，找到所需要的设计参数。
比如立铣刀端刃容屑槽的深度、槽底和端面倾斜的角度、槽底中心孔的尺寸等。
设计参数的计算生成：有些参数需要根据刀具的输入结构参数与索引参数进行相关的计算。
需要在软件设计阶段设计相关的计算程序，在具体刀具设计时进行相关计算。
如普通立铣刀周刃设计时槽底圆弧的深度、圆心的位置等。
（3）三维实体模型的生成根据生成的设计参数，调用刀具设计的三维特征库、曲面库和曲线库，进行三维尺寸驱动，通过这些实体模型的三维布尔运算，生成三维实体模型。
3 刀具制造加工仿真模块的实现设计出的刀具能否加工，即刀具的可制造性好坏直接影响到刀具的设计制造周期和成本。
刀具的加工仿真是基于面向制造的设计原理，在刀具设计初期，考察刀具的可制造性，将DFM技术和虚拟仿真技术有机结合，构建刀具加工的虚拟现实环境，通过刀具的加工仿真分析其可加工性能。
刀具加工仿真系统在加工仿真软件VERYCUT 进行二次开发以实现，具体流程（图3）为：（1）确定刀具加工的工艺路线在刀具加工仿真之前，需要对刀具的各个加工表面进行工艺分析，确定各表面加工所需要的加工方法以及所需要的砂轮类型及砂轮参数。
（2）生成砂轮刀位轨迹根据刀具加工工艺路线以及加工刀具各表面需要的砂轮类型、规格以及砂轮的安装参数，求出砂轮与刀具工件加工中的相对运动轨迹，分析砂轮的位置姿态变化情况，然后将砂轮的运动分解到机床各个运动轴，生成砂轮的刀位轨迹。
（3）刀具加工仿真的实现根据刀位轨迹数据进行后置处理，生成磨削刀具NC代码，调用砂轮库、机床库和工件毛坯库中相关的实体模型，实现刀具加工仿真过程的可视化，观察刀具加工仿真过程中是否会出现干涉和碰撞。
（4）加工后的刀具参数和使用参数的比较通过构建加工仿真后的刀具的数学模型，计算仿真加工后的刀具参数，与刀具三维参数化设计的模型参数进行比较，是否满足设计要求。
同时与刀具的使用参数比较，是否满足使用参数要求，若不满足设计和使用参数要求，应及时调整加工参数或刀具的设计参数，直到满足设计要求为止。
图3 刀具仿真过程示意图4 结语本文在研究高速立铣刀使用性能的技术的基础上，开发基于三维模型的高速铣刀参数化设计系统。
系统的开发与应用简化了程序设计流程的难度，友好的人机交互界面可方便快捷地进行数控高速立铣刀参数化设计，生成铣刀三维模型，使刀具开发周期降低，通过分析实现了高速铣刀可制造性分析，为系列化高速铣削刀具的设计工作提供了高效、可靠的设计手段，同时为二次开发工作提供了参考。
参考文献：[1]程开举. 数控高速铣刀参数化设计系统的开发[J]. 哈尔滨理工大学学报，2005，（2）：35-39.[2]马世辉. 球头立铣刀的参数化设计及有限元分析[D]. 兰州：兰州理工大学，硕士学位论文，2009.[3]何耀雄，周云飞，等. 球头刀具刃形建模与过渡刃设计[J]. 机械工程学报，2001，（9）：101-104.[4]邓维鑫，等. 基于VERICUT的水轮机叶片五轴联动数控加工仿真技术研究[J]. 机械，2009，36（7）：28-30.。
