基于逆向工程的球头铣刀实体造型及其仿真加工技术研究
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摘要
在当今的切削加工中，球头铣刀发挥着越来越重要的作用，螺旋槽作为球头铣刀的一部分，对其加工性能有着极其重要的影响。在长期的应用中，国外在球头铣刀及其螺旋槽的理论研究和加工制造方面积累了丰富的经验；吸收国外先进技术为我所用，对于提高我国工具制造业水平，缩小与国外先进技术的差距，有重要作用。
逆向工程是近年来发展起来的新技术，目前国内外还没有将它应用于铣刀的建模和制造的报道。本文试图在此方面进行研究，开拓出一条利用逆向工程技术研究铣刀的建模和制造的新方法。本文主要研究内容包括：
首先，对铣刀螺旋槽基本理论进行了研究。介绍了螺旋槽成形原理，推导了铣刀周刃刃线数学模型、螺旋槽数学模型以及砂轮设计公式。
在对基本理论进行研究的基础上，采用逆向工程技术，对球头铣刀进行了实体造型。结合球头铣刀的结构特点，详细介绍了造型步骤和方法，获得了球头铣刀的三维实体模型；提取了铣刀螺旋槽的主要几何参数。然后，对另一把球头铣刀进行了逆向造型，验证了上述方法的通用性。
在分析、比较了现有螺旋槽加工方法的基础上，确定了铣刀螺旋槽成型磨削的加工方案；在分析了成型砂轮常用设计方法的基础上，提出了用于成型砂轮轮廓设计的CAD法，该法具有简单、直观的特点；论文详细介绍了设计方法和步骤，得到了成型砂轮的轮廓曲线，并生成了砂轮实体模型。
在虚拟加工部分中，以球头铣刀圆柱部分螺旋槽的加工为研究对象，应用数控加工仿真软件Vericut构造了专用数控磨床。论文详细介绍了磨床的构造、刀具定义、导入的方法和步骤，编写了用于螺旋槽加工的数控代码，然后，将仿真加工得到的螺旋槽截形与实体造型的相应截形进行了比较，两者基本一致，证明了所采用的方法的可行性；最后，还讨论了造成误差的主要原因。
总之，本文为球头铣刀的研究，提出了一套新的、基于逆向工程和仿真加工的技术方案。
At present, ball-end miller is becoming more and more important in metal-cutting. As an important part of ball-end miller, helical flute is significant effect on the performance of ball-end miller. In the long-term application, the foreign technicians have accumulated abundant experience in the theory and manufacturing of the ball-end miller. Learning and absorbing the foreign advanced technology has played an important part in improving our machining technology and catching up the advanced level in the world.
The reverse-engineering is a new kind of technology developed recently. Until now, there are still not the reports on studying or manufacturing ball-end miller by reverse-engineering. This thesis tries to find a new way on studying the modeling and manufacturing of ball-end miller via reverse-engineering.
Firstly, we study the elementary theories of the helical flute. Its forming principle is introduced. The peripheral edge curve mathematical model helical flute mathematical model and formula for grinder design are deduced.
Following above studying, the solid modeling of the ball-end miller is obtained with reverse-engineering technology. With reference to structure feature of the ball-end miller, the methods and procedure of modeling a ball-end miller are illustrated in detail. The important geometric parameters of the helical flute on miller are measured from its solid modeling. Then, another ball-end miller is modeled with above methods and this confirm versatile of the methods.
On the foundation of analyzing and comparing of the existing processing methods on the helical flute, we determine the formed grinding plan of processing the helical flute on the ball-end miller. After studying usual methods of designing the formed grinding wheel, a new kind of the CAD method is proposed for designing it. This method has the characteristics of the simply and intuition. The thesis introduce in detail its method and steps. The profile curve of the formed grinding wheel is obtained and its solid modeling is produced.
In the simulation processing, the cylindrical section of the helical flute on the ball-end miller is taken as the object of study. With the simulation processing software, Vericut, the special-purpose NC grinder is constructed. Its structure and the methods on defining the cutting tool are introduced in detail. The NC codes is compiled for grinding the helical flute. Then, the sectional shape of the helical flute that obtained by virtual processing is compared with the one of its solid modeling. Both are almost consistent, which prove that above method is feasible. Finally, we discuss primary causes that created error between both.
In all, this thesis proposed a new way for designing and studying of ball-end miller based on reverse-engineering technology.
逆向工程是近年来发展起来的新技术，目前国内外还没有将它应用于铣刀的建模和制造的报道。本文试图在此方面进行研究，开拓出一条利用逆向工程技术研究铣刀的建模和制造的新方法。本文主要研究内容包括：
首先，对铣刀螺旋槽基本理论进行了研究。介绍了螺旋槽成形原理，推导了铣刀周刃刃线数学模型、螺旋槽数学模型以及砂轮设计公式。
在对基本理论进行研究的基础上，采用逆向工程技术，对球头铣刀进行了实体造型。结合球头铣刀的结构特点，详细介绍了造型步骤和方法，获得了球头铣刀的三维实体模型；提取了铣刀螺旋槽的主要几何参数。然后，对另一把球头铣刀进行了逆向造型，验证了上述方法的通用性。
在分析、比较了现有螺旋槽加工方法的基础上，确定了铣刀螺旋槽成型磨削的加工方案；在分析了成型砂轮常用设计方法的基础上，提出了用于成型砂轮轮廓设计的CAD法，该法具有简单、直观的特点；论文详细介绍了设计方法和步骤，得到了成型砂轮的轮廓曲线，并生成了砂轮实体模型。
在虚拟加工部分中，以球头铣刀圆柱部分螺旋槽的加工为研究对象，应用数控加工仿真软件Vericut构造了专用数控磨床。论文详细介绍了磨床的构造、刀具定义、导入的方法和步骤，编写了用于螺旋槽加工的数控代码，然后，将仿真加工得到的螺旋槽截形与实体造型的相应截形进行了比较，两者基本一致，证明了所采用的方法的可行性；最后，还讨论了造成误差的主要原因。
总之，本文为球头铣刀的研究，提出了一套新的、基于逆向工程和仿真加工的技术方案。
At present, ball-end miller is becoming more and more important in metal-cutting. As an important part of ball-end miller, helical flute is significant effect on the performance of ball-end miller. In the long-term application, the foreign technicians have accumulated abundant experience in the theory and manufacturing of the ball-end miller. Learning and absorbing the foreign advanced technology has played an important part in improving our machining technology and catching up the advanced level in the world.
The reverse-engineering is a new kind of technology developed recently. Until now, there are still not the reports on studying or manufacturing ball-end miller by reverse-engineering. This thesis tries to find a new way on studying the modeling and manufacturing of ball-end miller via reverse-engineering.
Firstly, we study the elementary theories of the helical flute. Its forming principle is introduced. The peripheral edge curve mathematical model helical flute mathematical model and formula for grinder design are deduced.
Following above studying, the solid modeling of the ball-end miller is obtained with reverse-engineering technology. With reference to structure feature of the ball-end miller, the methods and procedure of modeling a ball-end miller are illustrated in detail. The important geometric parameters of the helical flute on miller are measured from its solid modeling. Then, another ball-end miller is modeled with above methods and this confirm versatile of the methods.
On the foundation of analyzing and comparing of the existing processing methods on the helical flute, we determine the formed grinding plan of processing the helical flute on the ball-end miller. After studying usual methods of designing the formed grinding wheel, a new kind of the CAD method is proposed for designing it. This method has the characteristics of the simply and intuition. The thesis introduce in detail its method and steps. The profile curve of the formed grinding wheel is obtained and its solid modeling is produced.
In the simulation processing, the cylindrical section of the helical flute on the ball-end miller is taken as the object of study. With the simulation processing software, Vericut, the special-purpose NC grinder is constructed. Its structure and the methods on defining the cutting tool are introduced in detail. The NC codes is compiled for grinding the helical flute. Then, the sectional shape of the helical flute that obtained by virtual processing is compared with the one of its solid modeling. Both are almost consistent, which prove that above method is feasible. Finally, we discuss primary causes that created error between both.
In all, this thesis proposed a new way for designing and studying of ball-end miller based on reverse-engineering technology.
引文
1 赵炳祯．第九届中国国际机床展览会刀具展品述评．工具技术．2005，39(7)：3-9
2 谢忠明．铣刀设计与加工特性之研究．台湾国立中山大学博士论文．2003
3 韩成顺．特种回转面螺旋铣刀的非数控制造模型研究．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001
4 刘世霞，唐余勇，孙家广．球面铣刀修磨几何模型研究．计算机辅助设计与图形学报．2000，(3)：195-199
5 韩小东，唐余勇，吴昌柞．平头铣刀与带角圆铣刀的选择．佳木斯大学学报．2000，(18)：34-37
6 刘井玉，刘华明．螺旋刀刃曲线的统一模型——普通螺旋线．工具技术．1998，(6)：24-26
7 吴道全，石琳．关于圆形球头立铣刀结构的研究．贵州工学院学报．1996，(1)：1-1
8 张舜德，朱东坡，卢秉恒．反求工程中三维几何形状测量及数据预处理[J]．机电工程技术．2001，1：7-10
9 T. Varady, etal. Reverse Engineering of Geometric Models. Computer Aided Desien. 1997,29(4):255-268
10 姚南殉，王志杰．数学在刀具设计中的应用．北京：机械工业出版社，1998
11 唐余勇，董敏．刀具制造中的几何理论及其应用．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995
12 孙春华，刘井玉，任秉银．特种回转面刀具螺旋槽的通用几何模型．工具技术．2000，34(3)：17-19
13 刘井玉，夏广岚，于峰．特种回转面螺旋槽铣刀端截形线设计．丹东纺专学报．2002，9(3)：1-2
14 何耀雄，周云飞，周济．广义螺旋运动于复杂回转刀具几何建模．航空学报．2002，23(2)：135-139
15 丁秀娟，邵成林，唐余勇等．导程回转刀具虚拟实境的通用模型及其应用．佳木斯大学学报(自然科学版)．2002，20(2)：175-177
16 赵丽杰，唐余勇，吴昌柞．与轴线成定角的球头铣刀的问题与处理方法．佳木斯大学学报(自然科学版)．2001，19(1)：61-63
17 汪奔，何彪等．新型球头立铣刀刃磨加工研究(1)．贵州工业大学学报(自然科学版)．2004，33(5)：95-98
18 蔺小军，侯忠滨，何琼儒．S形刃球头立铣刀的数学模型．工具技术．2004，38(1)：40-42
19 Ying-chien Tsai, Jone-Ming Hsieh. A Study of a Design and NC Manufacture Model of Ball-end Cutters. Materials Processing Technology. 2001, (4): 183-192
20 刘井玉，蒲红，胡晓平．特种回转面刀具五联动数控磨削后处理算法．佳木斯大学学报(自然科学版)．2002，20(3)：264-267
21 张跃刚．测地曲率在刀具刃磨干涉校核中的应用．工具技术．2000，(5)：19-21
22 何兆太，李国顺，刘鹊然．复杂回转面刀具的计算机辅助造型与加工过程仿真．系统仿真学报．2002，14(3)：409-410
23 刘鹊然．特种回转面刀具的计算机仿真．系统仿真学报．2002，(3)：1-5
24 李清，王太勇，范胜波等．数控加工仿真中螺旋立铣刀的建模．天津大学学报．2005，38(2)：141—145
25 翟元盛．磨削S形刃球头立铣刀前后刀面的计算机仿真．哈尔滨工业大学硕士学位论文．2002，7
26 王永新．球头铣刀寿命在线监测和管理．组合机床与自动化加工技术．2005，(1)：96-98
27 李作丽，赵军，王素玉．球头铣削切削力预测模型的解析计算．山东科技大学学报(自然科学版)．2005，24(1)：76-78
28 刘井玉，刘华明，田淑艳．圆椎形铣刀螺旋槽的数学建模．工具技术．1997，(4)：3-6
29 华南工学院，甘肃工业大学．金属切削原理及刀具设计(上册)[M]．上海：上海科学技术出版社，1979
30 华南工学院，甘肃工业大学．金属切削原理及刀具设计(下册)[M]．上海：上海科学技术出版社，1979
31 刘井玉，夏广岚，于峰．特种回旋面螺旋槽铣刀端截形线设计．丹东纺专学报．2002，9：1-2
32 干久章．铣螺旋槽成形铣刀廓形设计的计算机图解法．成都科技大学学报．1993，5：92-93
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42 唐余勇，任秉银．数控加工中的几何建模理论及其应用．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003
43 Wu.C-T1, Chen. C-K2, Tang. Y-Y3. Modelling and Computer Simulation of Grinding of the Ball End Type Rotating Cutter with a Constant Helical Angle. Engineering Manufacture. 2001, 215(11):1581—1594
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45 唐余勇．几类螺面逆包络问题的求解模型．宇航学报．1990，(4)：64-67
46 唐余勇．磨削高精度螺面的通用数学模型。机械工程学报．1991，27(3)：32-37
47 张维纪．金属切削原理与刀具．浙江：浙江大学出版社，2002，
48 王霄．逆向工程技术及其应用．北京：化学工业出版社，2004
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50 姜元庆，刘佩军．UG／Imageware逆向工程培训教程．北京：清华大学出版社，2003
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16 赵丽杰，唐余勇，吴昌柞．与轴线成定角的球头铣刀的问题与处理方法．佳木斯大学学报(自然科学版)．2001，19(1)：61-63
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22 何兆太，李国顺，刘鹊然．复杂回转面刀具的计算机辅助造型与加工过程仿真．系统仿真学报．2002，14(3)：409-410
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26 王永新．球头铣刀寿命在线监测和管理．组合机床与自动化加工技术．2005，(1)：96-98
27 李作丽，赵军，王素玉．球头铣削切削力预测模型的解析计算．山东科技大学学报(自然科学版)．2005，24(1)：76-78
28 刘井玉，刘华明，田淑艳．圆椎形铣刀螺旋槽的数学建模．工具技术．1997，(4)：3-6
29 华南工学院，甘肃工业大学．金属切削原理及刀具设计(上册)[M]．上海：上海科学技术出版社，1979
30 华南工学院，甘肃工业大学．金属切削原理及刀具设计(下册)[M]．上海：上海科学技术出版社，1979
31 刘井玉，夏广岚，于峰．特种回旋面螺旋槽铣刀端截形线设计．丹东纺专学报．2002，9：1-2
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43 Wu.C-T1, Chen. C-K2, Tang. Y-Y3. Modelling and Computer Simulation of Grinding of the Ball End Type Rotating Cutter with a Constant Helical Angle. Engineering Manufacture. 2001, 215(11):1581—1594
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49 孙世为，王耕耘，李志刚．逆向工程中多视点云的拼合方法．计算机辅助工程．2002(1)：8-12
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51 张冶．Unigraphics NX参数化设计实例教程[M]．北京：清华大学出版社，2004
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55 李云龙，曹岩．数控机床加工仿真系统Vericut．西安：西安交通大学出版社，2005