基于iSIGHT的立铣刀多学科设计优化.doc

《基于iSIGHT的立铣刀多学科设计优化.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于iSIGHT的立铣刀多学科设计优化.doc（70页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、摘 要在高端高性能刀具行业我国只占了10%左右的市场份额，相对落后的刀具生产能力导致我国高端刀具只能依靠进口。因此，掌握现代刀具制造的先进技术，提高设计中的自动化程度，加快刀具的设计过程，实现刀具设计的集成优化，从而摆脱对刀具进口的依赖，迅速提高刀具制造水平，成了重要的发展方向。铣刀作为一种应用非常广泛的切削加工工具，不仅可以加工平面、沟槽、台阶等，还可以加工螺纹、花键、齿轮及其他成形表面。立铣刀是铣刀应用较为广泛的一种。由于不同的应用场合需要用到不同种类的立铣刀，再加上立铣刀结构复杂，尺寸多样，给立铣刀的设计优化带来了相当大的难度。目前国内立铣刀的设计优化方式主要为传统的标准化刀具设计方式，

2、以及相对先进的计算机辅助设计方式。两种方式都需要人为不断重复的修改参数，反复分析结果，自动化程度太低，而且缺乏考虑多因素耦合作用对立铣刀性能的影响。针对以上问题，本文对基于iSIGHT的立铣刀多学科设计优化进行研究。本文以整体直柄平头立铣刀为研究对象，根据立铣刀在ANCA五轴联动数控磨床上的磨削加工过程，建立精确描述该过程的数学模型；并利用SolidWorks绘制出准确的立铣刀三维参数化模型；通过Ansys分别对三维模型进行模态和静力的有限元分析；最后通过iSIGHT软件集成三维参数化建模和有限元分析过程，并利用iSIGHT内嵌的优化算法计算出最优化的立铣刀结构。通过基于iSIGHT的立铣刀多

3、学科设计优化的研究，可以实现对立铣刀结构参数的优化，从而提高立铣刀切削性能，实现整个设计优化过程的自动化，缩短立铣刀的研发周期。关键词：整体立铣刀；磨削加工；参数化建模；有限元分析；设计优化；iSIGHTMultidisciplinary Design Optimization of Milling Cutter Based on iSIGHTDiscipline: Machinery and Electronics EngineeringStudent Signature: Supervisor Signature: AbstractIn high-end and high-performa

4、nce tool industry, China accounts for only about 10% of market share. Relatively backward production capacity leads to the import dependence of high-end tools in our country. Therefore, mastering advanced modern tool manufacturing technology, improving the degree of automation in design process, acc

5、elerating tool design process and achieving integrated optimization of tool design can get rid of tool import dependence and rapidly improve tool manufacturing level, which has become an important development direction.Milling cutters are widely used in cutting that can not only process plane, groov

6、e, step and so on, but also process thread, spline, gear and other shaped surfaces. End milling cutter is a kind of widely used milling cutter. Considering that different applications need different types of end milling cutters that have complex structure and diverse sizes, their design and optimiza

7、tion are very difficult.At present, the main methods of end milling cutter design and optimization are the traditional standardized tool design method and relatively advanced Computer-Aided Design (CAD). Both approaches require designers to repetitively modify tool parameters and analyze tool perfor

8、mance. Their automation degree is too low and they are short of the consideration of multiple-factor coupling effect on end milling cutter performance. To solve these problems, the paper studies multidisciplinary design and optimization of end milling cutters based on iSIGHT. Taking integral straigh

9、t shank flat end milling cutter as the object, according to its grinding process on an ANCA five-axis CNC grinding machine, a precise mathematical model describing the process is established. The exact three-dimensional (3D) parametric model of the end milling cutter is also established in SolidWork

10、s. Then, its modal and static finite element analyses are completed in Ansys. Finally, the process of 3D parametric modeling and finite element analysis is integrated in iSIGHT where the optimized structure of end milling cutter is calculated using iSIGHT embedded optimization algorithm.The study of

11、 the paper can realize the optimization of end milling cutter structure and parameters, improve its cutting performance, realize the automation of the entire design and optimization process and shorten its R&D cycle.Keywords: Integral End Mill; Grinding; Parametric Modeling; Finite Element Analysis;

12、 Design Optimization; iSIGHT目 录1 绪 论11.1 课题背景11.1.1 立铣刀设计背景11.1.2 多学科设计优化背景21.2 国内外研究现状31.2.1 整体立铣刀磨削加工的研究31.2.2 整体立铣刀的结构和数学建模的研究31.2.3 基于SolidWorks的立铣刀三维参数化建模的研究41.2.4 基于Ansys铣削加工有限元分析的研究61.2.5 多学科设计优化的国内外研究现状61.3 课题的目的和意义71.4 课题的主要内容72 整体立铣刀的仿真加工分析及加工实验92.1 立铣刀的种类、结构及性能92.1.1 立铣刀的种类92.1.1 立铣刀的总体结构

13、及尺寸92.1.2 整体立铣刀侧刃的结构参数及性能102.1.3 整体立铣刀的技术条件122.2 ANCA FastGrind数控磨床简介及配置132.2.1 ANCA FastGrind数控磨床简介132.2.2 ANCA FastGrind数控磨床配置142.3 立铣刀的仿真加工步骤及加工参数设定152.3.1 立铣刀公共参数设置162.3.2 工具的端面探测172.3.3 整体开槽182.3.4 外圆精磨202.3.5 端面齿隙磨削212.3.6 前端面精磨222.4 立铣刀的加工实验232.4.1 现代加工特点232.4.2 加工工艺流程242.4 本章小结253 基于加工过程的整体立

14、铣刀数学建模263.1 砂轮的定义263.2 螺旋槽截面轮廓的定义273.3 螺旋槽结构参数的计算303.3.1 刀芯半径的计算303.3.2 前角的计算313.3.3 螺旋槽宽度的计算323.4 砂轮位置参数的计算333.5 本章小结334 基于加工过程的整体式立铣刀三维参数化建模344.1 整体立铣刀主要结构特征的建立354.1.1 毛坯体建模354.1.2 螺旋槽建模354.1.3 周刃后刀面建模384.1.4 端面齿隙建模384.1.5 端刃后刀面建模384.2 立铣刀的三维参数化建模394.2.1 尺寸约束394.2.2 生成参数化模型404.3 本章小结415 立铣刀多学科设计优化

15、425.1 Ansys有限元分析425.1.1 整体立铣刀实体几何模型的导入425.1.2 整体立铣刀的静力分析425.1.3 整体立铣刀的模态分析455.2 iSIGHT集成优化475.2.1 优化方案的设计475.2.2 iSIGHT优化模型的建立485.2.3 查看优化结果505.3 本章小结526 结论与展望536.1 结论536.2 展望53参考文献55攻读硕士学位期间发表的论文59致 谢60学位论文知识产权声明61学位论文独创性声明62611 绪论1 绪 论1.1 课题背景1.1.1 立铣刀设计背景目前，我国机床、汽车的消费已经已经跃升至世界第一，中国作为第一制造大国，制造领域拥有

16、巨大的市场以及发展前景。随着现代化先进制造技术的不断推广，高速切削在航空航天、汽车、船舶、军事、能源等领域应用范围的迅速扩大，以及各种难加工材料日益增多，都对刀具的精度、效率、可靠性和专用化程度提出了更高的要求。在刀具行业市场，我国是最大的刀具消费国，刀具年消费额大致在400亿元左右。2011年，我国刀具消费额为400亿元，其中国产刀具为265亿元，占比66%；2012年刀具消费额340亿元；2013年刀具消费总额扩大到485亿元，国产刀具消费占比65%，国产刀具消费额差不多是进口刀具消费额的2倍。国产的刀具主要用在中等以及低等加工精度要求不是很高的制造业领域，虽然这些领域对刀具需求量非常巨大

17、，但中低端刀具的价格比较便宜，而且对刀具加工的附加值也比较低。而高端的制造业领域对刀具的性能要求比较高，国产刀具往往达不到加工要求，所以大多数情况只能依赖进口，导致高端高性能刀具国产份额据估计只占有10%左右。在刀具设计方面，传统标准化的刀具设计方式应用较多，但该方式只能基本满足普通的加工材料、一般的切削加工速度、较低的加工质量和刀具设计效率等要求。传统的刀具设计方式是通过人工不断重复的查表、选参、计算和校核，最终确定刀具的各结构参数。这种设计方式不仅费时费力，而且得不到最优的结果，同时由于刀具设计的质量和设计员本身的素质有很大的关系，再加上巨大的工作量很难避免不发生错误。当面对高速切削和难加

18、工材料的应用，高要求的切削质量和切削效率，以及高效的刀具设计过程，传统标准化刀具设计方式已经无法满足要求，此时需要更合理的刀具结构和更先进的设计方法。铣刀是一种应用广泛、高效率的切削加工刀具，用于加工平面、凸台、凹槽、齿轮、成形表面和切断工件等。铣削加工时，铣刀多个齿依次间歇地旋转切去工件的余量，为了保证切削加工的质量和效率，切削用量必须合理选择。立铣刀在铣刀的应用中较为广泛，主要用于加工平面，特别槽铣、侧壁切削、型腔切削和仿形切削等加工场合。立铣刀的主要特点有：切削过程不连续，铣刀反复撞击工件，刀刃处容易造成崩刃；切削加工时立铣刀刀刃受到摩擦和挤压，刀刃迅速加热，间隙时刀刃又迅速冷却，这种周

19、期性的冷、热冲击，使刀具易产生龟裂；所以，立铣刀必须要有足够的韧性来承受住机械磨损和热磨损，还要承受住热负荷变化带来的影响，并且面对大范围的加工速度，都不影响立铣刀的切削性能。即使立铣刀由于长时间加工后磨损变钝，一般也可以进行修磨，使其可以重新使用。对于铲齿型立铣刀，一般后刀面有外圆铲背特征，可以利用刃磨后刀面的方式恢复刀刃的锋利程度，且保持了原有的铣刀截面形状，但其轮廓会变小；对于尖齿型立铣刀，用钝后需要刃磨前刀面来恢复刀刃的锋利程度，刃磨后立铣刀外圆轮廓大小不变，但截面的形状会有些变化。立铣刀种类繁多，按端齿类型分有：平头铣刀、球头铣刀以及圆弧头铣刀；按端面类型有：至中心，不至中心，ANC

20、A端面等；按齿距类型分有：等齿距和不等齿距；按刀具材料分有：高速钢、硬质合金钢以及陶瓷金刚石等其他材料；按刀柄类型分有：普通直柄立铣刀、莫氏锥柄立铣刀、7:24锥柄立铣刀；按重磨方式分有：尖齿立铣刀、铲齿立铣刀；按刀刃长度分有：标准系列、长系列，每个系列又有两组型号1。立铣刀的切削性能主要由刀具的材料、涂层和结构这三个因素的组合效果决定2。在立铣刀材料和涂层技术已经日趋完善的今天，充分发挥立铣刀的铣削加工性能只能通过优化的立铣刀结构。此外，根据国际生产工程学会(CIRP）的研究报告，通过刀具结构特征及参数的优化，可以大大提高刀具寿命3。因此如何有效刀具结构特征及参数是提高立铣刀铣削加工性能和寿

21、命的关键。国内在立铣刀结构设计、制造工艺上与国外先进技术还存在较大差距，主要是因为我国的立铣刀设计技术还停留在传统的刀具设计方式，以及部分实现了刀具的计算机辅助设计的转型。而对于难加工材料、高速复合加工、高精度等更高性能的切削要求，目前我国立铣刀的设计制造技术不足以支撑，因此，优质立铣刀的一个重要来源是直接从国外购买。但是立铣刀属于易耗品，高端的立铣刀一般价格较高，过多的从国外购买，会造成生产成本过高4。因此为了提高高端高性能刀具的国产份额，减少对发达国家进口的依赖，必须研究立铣刀的集成设计优化方法，来提高刀具设计自动化的水平，提高刀具设计过程的效率，提高刀具优化的程度，从而实现刀具制造技术的

22、进步。最终通过刀具集成设计优化技术来实现国内制造业水平的迅速发展。1.1.2 多学科设计优化背景多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization）是一种充分探索子系统相互作用的复杂系统设计方法论它最早是由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration ，NASA）高级研究院、现任美国航空航天学会(American Institute of Aeronautics and Astronautics，AIAA）多学科设计优化技术委员会主席Sobieszczanki-Sobieski提出。多学科

23、设计优化（MDO）是一个工程领域，专注于利用数值优化涉及多个学科或子系统的系统设计。利用MDO的主要目的不仅是多学科系统的性能由各个学科的性能驱动，而且受到它们之间相互耦合作用的影响。考虑这些相互耦合作用，在一个优化问题中通常需要完整的数学公式。在设计过程初期，通过利用先进的计算分析工具解决MDO问题，设计者可以在改善设计的同时，减少设计周期的时间和成本5。在产品设计的任务定义阶段、概念设计阶段和初步设计阶段进行多学科设计优化是非常有意义的，也是非常必要的。同时，要实现产品整体多学科设计优化也是十分困难的。因为产品设计的多学科交互耦合使得各学科相互关联，分析时存在巨大的计算量和信息交流量，在这

24、种情况下学科间的相互依赖使得整体设计优化很难进行。目前，国外在多学科优化问题和多学科优化集成设计框架软件研究方面已取得较大进展，现在市场上占较大份额的集成设计框架有Phoeix Integration的Model Center - Analysis Sever、Engineous的iSIGHT和Technoso的AML等，其中iSIGHT占51%左右6。iSIGHT软件是由美国的易擎软件公司(Engineous Software，Inc)近年来推出的一个集工业优化设计和自动化分析计算于一体的多学科设计优化软件，它在国外的汽车、航空航天、工业制造及国防工业等众多领域的优化设计和稳健性设计应用中取

25、得了显著成效7。1.2 国内外研究现状1.2.1 整体立铣刀磨削加工的研究我国对数控磨削加工的技术研究一直落后于发达国家，只能通过技术引进缩短与发达国家之间的差距，但这不能解决根本的技术落后问题。因此，基于现有的数控磨削技术，通过对立铣刀设计制造加工过程的研究，开发出更先进的立铣刀磨削加工系统，是提高刀具设计以及磨削加工技术的有效途径8-9。在立铣刀的磨削加工研究方面，国内外学者做了如下研究：陈逢军等人10以球头立铣刀为研究对象，根据其在五轴联动数控钻尖磨床上的制造过程为基础，以VC+6.0为软件平台，开发设计仿真软件。实现了球头立铣刀在仿真软件环境下的结构设计。shangjian Du和To

26、bias Surmann等人11-12提出了一种有效的算法，计算出关于数控模拟五轴工具运动扫过的体积。文献13基于计算机仿真和试验结果，分析了立铣刀设计和制造过程的影响因素。提出了一种利用带有简单编程技术的数控磨床制造立铣刀的实用有效的方法。赵鑫等人14以刀具的结构设计、三维参数化建模以及磨削制造工艺为基础，建立了关于立铣刀制造和建模的数据库，很大程度上加快了立铣刀的设计和三维建模的速度，为刀具的设计制造管理系统提供了一定的指导。1.2.2 整体立铣刀的结构和数学建模的研究在制造业，整体立铣刀是其中最常见的金属切削工具。设计合理的立铣刀形状结构，计算获得准确的结构参数，是确保整体立铣刀性能的前

27、提。立铣刀的螺旋槽是其所有结构中最关键的部分，它决定了刀具的如前角、刀芯半径和槽宽等结构参数。这三个参数对切削力，切削温度，排屑能力，刀具寿命等等都有很大的影响。因此，在立铣刀加工中，确保螺旋槽精度非常重要。在过去的几十年中，许多研究工作都集中在磨削指定轮廓参数的螺旋槽的方法。一般来说，它们可以被分为两种方法。第一种方法采用非标准砂轮（即成形砂轮）设计所需的螺旋槽轮廓。参考微分几何和运动学原理，Kang等人15基于在螺旋槽和砂轮表面接触点处的法向量应与砂轮轴线相交的情况下，来确定螺旋槽轮廓。为了扩展这一理论的应用，Hsieh等人16在六轴工具磨床上建立了一个螺旋槽的加工模型。Chen等人17采

28、用这一原则为球头铣刀设计砂轮。然而，使用这些方法来设计砂轮轮廓时，通常没有发现有效的解决方案，除非选择合适的磨削方式。关于这个问题，Shi和Malkin18讨论了机床安装条件允许范围内平滑螺旋槽概轮廓和配置文件与一个或者更多奇异点。文献19中利用已知的螺旋槽端面轮廓和螺旋槽参数，建立工件螺旋面方程；以及已知的成形砂轮轴线与工件轴线最短距离，建立砂轮与工件螺旋面的接触线方程；求出了接触线绕砂轮轴线旋转所形成的砂轮回转面方程及砂轮轮廓形状。第二种方法采用标准砂轮，通过调整砂轮到合适位置，磨削所需的螺旋槽。一些研究人员20-21提出了迭代的方法来获取所需的螺旋槽参数。该算法通过反复试验修改了砂轮几何

29、形状和位置。因此，此方法耗时且获得的结果精度较低。Karpuschewski等人22提出一个方法使用粒子群优化搜索砂轮位置使螺旋槽以最小偏差的磨削。这种方法考虑到了螺旋槽形状，而忽视了具体的参数。在大多数情况下，获得的螺旋槽不能完全符合期望值。因此，尽管能使整个螺旋槽形状的偏差最小化，但螺旋槽的前角、芯径和槽宽的偏差可能反而相对较大。Tang等人23在用硬质合金钻头的磨削方法中指出，计算砂轮位置来磨削磨所需的前角和芯径。Feng，Chen和Bin等人24-25提出了两种磨削方法，分别使用砂轮的圆环面和圆周面磨削球头铣刀倾斜面。在这些方法中，准确地确定了砂轮的位置并获得所需的前角。Rababah

30、等人26-27提出了一个精确的方法来计算，五轴磨床磨削立铣刀螺旋槽时砂轮的位置。然而，他们的方法只保证了倾角和芯径，而忽视了槽宽。Xiao等人28提出了使用4Y1砂轮磨削螺旋槽的方法。在他们的研究中， 通过计算相应的砂轮位置，确定了前角和芯径，但是通过修改砂轮至一个适当的形状槽宽才能被确定。综上所述，由于标准砂轮比非标准砂轮便宜的多，且调整砂轮位置来获得不同螺旋槽形状的方式更具灵活性，因此在螺旋槽的磨削中，第一种方式只适合加工对象单一的大批量生产，第二种方法则更加普遍适用。然而，上述技术只确定了前角和核心半径的准确性，而忽视了槽宽的重要性。槽宽决定了排屑能力和刀刃厚度。由于槽宽的不精确，由不同

31、的磨床和不同的砂轮加工所需的螺旋槽可能产生不同的轮廓，这严重限制了加工质量的改善和螺旋槽磨削的灵活性。1.2.3 基于SolidWorks的立铣刀三维参数化建模的研究三维参数化建模是刀具设计优化过程中必不可少的步骤，设计过程中，研究人员不仅可以通过三维模型直观的了解刀具的外形结构特点，还可以直接利用现有三维模型导入到有限元分析软件进行优化分析。SolidWorks因其简便的操作系统，全面的零件实体建模功能，完整的细节绘制技术，快捷的参数化设计，完全符合复杂刀具的参数化建模要求。因此本文以SolidWorks为平台对立铣刀进行三维参数化建模。针对立铣刀的三维参数化建模SolidWorks主要有以

32、下2点优势：1）简便的参数化操作。由于立铣刀种类、结构以及尺寸的多样性，有很多结构尺寸参数需要进行定义。SolidWorks可以随时对任意参数进行变量和方程式的设定，同时，三维模型也会即时自动修正。还可以通过Excel的形式导入参数表，完成对一系列立铣刀的三维建模。2）实用的实体扫描切除功能。对立铣刀的三维建模过程其实就是对立铣刀的仿真加工过程另一种表达形式。SolidWorks软件可以通过建立砂轮的实际轮廓和砂轮与毛坯的相对位置，利用实体扫描切除功能，建立出精确的三维模型。由于整体式立铣刀形状结构比较复杂、规格尺寸多样，其中螺旋槽特征的建模尤为困难，却又十分重要，因为它直接决定了立铣刀前角、

33、芯厚以及槽宽等主切削刃上的结构参数，而立铣刀的切削性能又与这些结构参数紧密相关。因此，如何准确有效的对整体立铣刀螺旋槽结构进行三维参数化建模尤其关键。现有的文献中在对整体立铣刀螺旋槽结构进行三维参数化建模时，主要有以下三种方法：1）利用建立在毛坯端面的螺旋槽轮廓，进行轮廓扫描切除的方式建立螺旋槽特征，再利用其它方式建立退刀槽特征。2）利用成形砂轮在毛坯刃线的法截面处进行实体扫描切除的方式，建立螺旋槽特征。3）利用标准砂轮在特定位置，进行实体扫描切除，建立螺旋槽特征。文献29-30，在毛坯端面绘制了不同型式的螺旋槽轮廓线，利用布尔减运算方式（即轮廓扫描切除）建立出螺旋槽结构特征，然后再根据退刀槽

34、的结构重新建立轮廓线进行布尔减运算，建立出退刀槽结构特征。该方式可以有效的调整螺旋槽结构，并且对螺旋槽结构特征进行参数化也十分便捷。但繁琐的退刀槽建立过程，以及与实际生产存在巨大差异的螺旋槽结构，大大降低了该方法的实用性。文献31-33利用SolidWorks软件通过两种方式对整体立铣刀的螺旋槽进行了三维建模。第一种是在毛坯端面建立螺旋槽轮廓，进行轮廓扫描切除来建立螺旋槽特征。该建模方式在建立退刀槽特征时会比较麻烦，且整个螺旋槽特征建模参数化比较困难。第二种是在螺旋槽法截面处，利用成形砂轮进行实体扫描切除的方式建立螺旋槽特征。该方式提高了螺旋槽特征的准确性，但依旧无法解决螺旋槽参数化问题。文献

35、34研究了两种立铣刀螺旋槽的设计方法，分别是逆向设计和正向设计。逆向设计：根据所需的螺旋槽端截面形状，利用图解法或计算法设计出相应轮廓的成形砂轮来加工并建立立铣刀的螺旋槽结构特征。该方法只适用于单一的螺旋槽结构模型的建立，参数化建模困难。正向设计：根据螺旋槽的结构参数，调整砂轮的相对位置，加工出所需要的螺旋槽。但在三维参数化建模时未能考虑到砂轮存在的圆角，忽视了螺旋槽结构主要部分是通过砂轮的圆角磨削出来的，严重影响螺旋槽的结构特征的准确性。1.2.4 基于Ansys铣削加工有限元分析的研究对立铣刀的有限元分析，主要为了了解立铣刀受到的应力应变情况和震振动情况，通过改变立铣刀结构参数的方式，从而

36、减小切削过程中的应力变形，避开共振频率，为立铣刀切削性能的改善提供依据。文中对立铣刀基于Ansys的有限元分析主要有以下2种：1）静力分析：属于静力学范畴，在立铣刀刀柄完全约束的情况下，在立铣刀刀刃处进行载荷施加，分析立铣刀受到的应力应变情况。2）模态分析：属于动力学范畴，通过检测立铣刀振动的固有频率，分析出立铣刀的各阶模态情况，避免立铣刀切削时发生共振。在基于Ansys的立铣刀有限元分析研究中，Kim等人35详细介绍了利用三维参数建立立铣刀表面轮廓形状的方法，并研究了立铣刀在静态和动态负载情况下的切削过程。通过应力分布、位移和变形的结果，揭示了立铣刀在静态和瞬态动态分析下的结构变化，最终得到

37、高质量的立铣刀结构。Kumar等人36介绍了通过有限元分析，检验铣削钛合金Ti-6Al-4V切削力以及立铣刀受到的应力，实现立铣刀的优化设计。曲会玲等人37基于对立铣刀的高速切削过程进行了详细的结构静力分析以及瞬态动力学分析，从8组不同的立铣刀前角、后角和螺旋角参数中优化出最佳的一组参数，并与初始立铣刀结构进行切削性能的比较，检验其优化效果。李宏德等人38以发挥立铣刀的承载能力为优化目标，以立铣刀的前角后角和螺旋角为优化变量，按照刀具设计手册规定设定变量范围，利用线性加权的方式优化出2组结构参数方案。杜瑶等人39通过对整体硬质合金立铣刀的静态分析，得出立铣刀的应力应变随铣削深度和每齿进给量的增

38、大而增大的结论，通过对整体硬质合金立铣刀的模态分析，得出立铣刀固有频率和悬伸长度的关系。1.2.5 多学科设计优化的国内外研究现状立铣刀的传统优化方式多是单学科优化分析技术，该方式缺乏对各个学科之间耦合作用的考虑，而且大量重复性的人为操作不仅效率低下，又容易出错。多学科设计优化（MDO）提供了一套新的设计方法，用于解决现代工程设计问题。随着应用的需求该方法包含了多种方式、技术和工具，并把正式的优化应用到工程系统设计中，吸收每个独立学科的优势，受到一定约束情况下满足各个学科的优化目标，实现整个系统的优化40。MDO设计方法主要用于航空航天、汽车轮船等领域的零部件设计优化。其中，Driant41通

39、过多学科优化的三个步骤，实现了汽车上热换器位置的优化。文献42提出了一种对地观测卫星的多学科设计优化（MDO），iSIGHT软件环境下，使用三种多学科优化方法来优化地球观测卫星的数值模型。文献43基于iSIGHT优化框架软件，集成了空气动力学、热动力学、结构力学和结构动力学四个学科，对涡轮叶片进行优化，获得了更好的整体性能。目前，越来越多的领域也都正在引进MDO的设计思想，以及iSIGHT优化软件。其中文献44为了使铸造工程师们从大量的重复性劳动中解放，首先将多学科设计优化技术带入了铸造领域，成功将ProCAST的融入到iSIGHT中，并且使铸造中的收缩率得到了明显的降低。文献45通过基于iS

40、IGHT的多学科多目标优化平台，对喷管式喷雾器进行结构优化，提高了喷雾分布的均匀性。文献46结合外点罚函数法和序列二次规划法，集成iSIGHT和Ansys软件，实现了飞轮转子质量的降低以及磁通密度的增大。通过对多学科设计优化方法的研究，以上文献在各自领域都取得了不错的成果。本文希望通过对立铣刀进行多学科设计优化，实现MDO在刀具设计制造领域的突破。1.3 课题的目的和意义随着机械制造行业的发展，高效率和高质量的加工要求，以及各种难加工材料的应用，对刀具的切削性能提出了更高的要求。再加上立铣刀结构复杂，尺寸多样，给立铣刀的设计优化带来了相当大的难度2。目前国内立铣刀的设计优化方式主要为传统的标准

41、化刀具设计方式，以及相对先进的计算机辅助设计方式。两种方式都需要人为不断重复的修改参数，反复分析结果，自动化程度太低，而且缺乏考虑多因素耦合作用对立铣刀性能的影响47。针对以上问题，本文对基于iSIGHT的立铣刀多学科设计优化进行研究。本文以高速钢整体直柄平头立铣刀为研究对象，根据立铣刀在ANCA五轴联动数控磨床上的磨削加工过程，建立精确描述该过程的数学模型；并利用SolidWorks绘制出准确的立铣刀三维参数化模型；通过Ansys分别对三维模型进行模态和静力的有限元分析；最后通过iSIGHT软件集成三维参数化建模和有限元分析过程，并利用iSIGHT内嵌的优化算法自动计算出最优化的立铣刀结构。

42、通过基于iSIGHT的立铣刀多学科设计优化的研究，实现对立铣刀结构参数的进一步优化，提高立铣刀切削性能；并实现整个设计优化过程的自动化，缩短立铣刀的研发周期。最后希望通过本课题的研究，为iSIGHT应用于刀具的集成设计优化提供指导，从而提高刀具设计优化的整体水平，对国内刀具制造领域的发展有重要应用意义。1.4 课题的主要内容第1章：绪论，主要介绍了立铣刀多学科设计优化的研究背景、国内外研究现状，根据已有的技术和前人的科研成果为基础，在实验室配置的CNC磨床、测量仪以及仿真加工系统软件等设备的支持下，以解决目前研究的不足为目的，实现立铣刀优化水平的提高。第2章：首先分析了立铣刀的种类、结构及性能

43、，然后介绍实验室所用的ANCA FastGrind数控磨床及其特点和配置。根据立铣刀的结构特点以及加工条件，详细分析了立铣刀每个结构的仿真加工过程，并进行了加工实验，加工出所设计的整体直柄平头立铣刀。第3章：结合整体式立铣刀在五轴联动数控磨床上的加工过程，以标准1A1砂轮为加工工具，提出了建立整体立铣刀螺旋槽准确数学模型的方法。第4章：基于立铣刀在五轴联动数控磨床上加工制造的原理，在分析立铣刀主要的结构参数与砂轮位置参数的关系的基础上，利用SolidWorks建立了整体平头立铣刀的三维参数化模型。第5章：iSIGHT通过驱动SolidWorks和Ansys这2款软件，分别进行模型监控，静力分析

44、和模态分析，获得立铣刀结构参数的最优解，实现立铣刀结构优化。本课题研究的主要内容可通过以下流程实现，具体流程见图1.1。本文首先详细分析了整体立铣刀的结构，并对其关键结构的形成过程进行数学建模，然后以整体直柄平头立铣刀为试验对象进行仿真加工，从加工过程中获得磨削参数应用于立铣刀关于SolidWorks的三维参数化建模，并基于Ansys对其三维模型分别进行模态分析和静力分析。建模和有限元分析过程中，利用iSIGHT软件分别对SolidWorks和Ansys进行模型监控，结构分析和模态监控，获得立铣刀结构参数的最优解。通过ANCA FastGrind数控磨床加工出优化后的整体立铣刀。图1.1 主要

45、内容的基本流程2 整体立铣刀的仿真加工分析及加工实验2 整体立铣刀的仿真加工分析及加工实验2.1 立铣刀的种类、结构及性能2.1.1 立铣刀的种类立铣刀在铣刀的应用中较为广泛，主要用于加工平面，特别槽铣、侧壁切削、型腔切削和仿形切削等加工场合。针对不同的加工场合，需要用到不同种类的立铣刀，所以立铣刀种类繁多、结构复杂、尺寸多样。按端齿类型分有：平头铣刀、球头铣刀以及圆弧头铣刀；按端面类型有：至中心，不至中心，ANCA端面等；按齿距类型分有：等齿距和不等齿距；按刀具材料分有：高速钢、硬质合金钢以及陶瓷金刚石等其他材料；按刀柄类型分有：普通直柄立铣刀、莫氏锥柄立铣刀、7:24锥柄立铣刀；按刀刃长度

46、分有：标准系列、长系列，每个系列又有两组型号1。图2.1 各种类型立铣刀2.1.1 立铣刀的总体结构及尺寸众多立铣刀中，整体式直柄平头立铣刀（也叫直角立铣刀）是最常见、结构最典型的，主要用于加工平面、槽和型腔等。其整体结构由柄部、颈部以及工作部分三个部分组成，立铣刀结构如图2.2所示。1）立铣刀的柄部：柄部是立铣刀的装夹部分，主要作用是与机床连接，将机床的转矩转化为立铣刀的切削力。当立铣刀的直径较大时，一般采用圆锥柄；当立铣刀的直径较小时，通常采用圆柱柄，即直柄。2）立铣刀的颈部：颈部主要用来连接刀刃部分和柄部，还可以用来打印标记，以及磨削立铣刀柄部时方便砂轮退刀。通常情况下，小直径整体式立铣

47、刀的颈部不作加工。3）立铣刀的刃部：刀刃部分即为立铣刀的工作部分，其中包括侧刃和端刃。平头立铣刀一般不作轴向进给，主要依靠侧刃进行铣削加工。立铣刀总体尺寸在国家标准中有严格的规定，尺寸数据见表2.1。根据GB/T 6117.1-2010第1部分：直柄立铣刀规定，刀刃部分直径d推荐在271mm之间按标准规定选取。刀柄直径d1、刀刃长度l以及立铣刀总长L都视刀刃部分直径d的大小而定。其中刀柄直径d1分2组选择，组为463mm，组为663，都按标准规定选取；刀刃长度l有2个系列，标准系列为790mm，长系列为10180mm；总长L分2个系列，每个系列都有2组选择，即在刀刃直径d确定的情况下，根据需要，总长L有4个不同的选择。图2.2 立铣刀各部分名称2.1.2 整体立铣刀侧刃的结构参数及性能由于立铣刀主要以侧刃加工为主，因此侧刃的结构参数直接影响了刀具的切削性能。平头立铣刀的二维模型及侧刃的结构参数见图2.3，下面详细介绍立铣刀各结构参数。图2.3 立铣刀刀刃部分二维结构图表2.1 直柄立铣刀总体尺寸直径范围d推荐直径dd1a标准系列长系列齿数lLblLb粗齿中齿细齿I组II组I组II组I组II组1.92.3624c673951104254342.3632.584052124456