基于Solidworks的圓體成形車(chē)刀設(shè)計(jì)

于善平，羅躍綱，吳 斌

(大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧大連116605)

成形車(chē)刀是加工回轉(zhuǎn)體成形表面的專(zhuān)用刀具，其切削刃形狀是根據(jù)工件廓形設(shè)計(jì)的。成形車(chē)刀可用在各類(lèi)車(chē)床上加工內(nèi)外回轉(zhuǎn)體的成形表面。成形車(chē)刀具有生產(chǎn)效率高、加工精度穩(wěn)定、刀具使用壽命長(zhǎng)、刃磨方便以及操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。用成形車(chē)刀加工工件表面的精度與工人技術(shù)水平無(wú)關(guān)且能夠保證工件表面形狀和尺寸精度的一致性［1］。常用的成形車(chē)刀分為平體成形車(chē)刀、棱體成形車(chē)刀和圓體成形車(chē)刀。其中圓體成形車(chē)刀的刀體是圓柱形，重磨時(shí)是磨前刀面，可重磨次數(shù)更多。成形車(chē)刀的設(shè)計(jì)和制造比較復(fù)雜，成本也比較高，一般較為適宜在小型零件的大批、大量生產(chǎn)中應(yīng)用。成形車(chē)刀傳統(tǒng)上使用計(jì)算法和圖解法設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率低、誤差大。利用計(jì)算機(jī)程序輔助設(shè)計(jì)圓體成形車(chē)刀的尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用Solidworks對(duì)圓體成形車(chē)刀進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，可提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的雙曲線誤差，提高設(shè)計(jì)精度并且修改方便［2］。

1 軟件介紹

SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。Solidworks功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks具有基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型、NURBS復(fù)雜曲面造型、實(shí)體與曲面融合、基于約束的裝配造型以及IGES、STEP、VDAFS、DXF、DWG 等數(shù)據(jù)交換及其獨(dú)有的特征識(shí)別器(Feature works)等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)功能及工具，將二維繪圖與三維造型技術(shù)融為一體，為PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成提供了條件。Solidworks還具有基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型及曲面建模等功能，這些功能便于應(yīng)用于成形車(chē)刀的設(shè)計(jì)。SolidWorks通過(guò)零部件之間、三維零部件與二維圖紙之間的關(guān)聯(lián)，可智能連接三維模型和二維圖紙，自動(dòng)生成零部件尺寸、材料明細(xì)表(BOM)、具有指引線的零部件編號(hào)等技術(shù)資料，從而簡(jiǎn)化工程圖紙的生成過(guò)程［3］。

2 基于Solidworks的圓體成形車(chē)刀設(shè)計(jì)

以圖1的工件廓形尺寸(工件材料為45鋼，縱向前角 γp=15°、縱向后角 αp=12°)來(lái)說(shuō)明基于Solidworks的圓體成形車(chē)刀設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖1 工件廓形尺寸圖

2.1 用Solidworks創(chuàng)建零件實(shí)體

(1)在Solidworks中新建零件圖，選擇前視基準(zhǔn)面作為草圖的基準(zhǔn)繪制面，繪制零件的中心線和半輪廓如圖2。

圖2 零件半輪廓

(2)根據(jù)圖2所繪制的零件半輪廓圖，在Solidworks中以中心線為旋轉(zhuǎn)軸，零件半輪廓圖為實(shí)體旋轉(zhuǎn)輪廓，旋轉(zhuǎn)后得到基于Solidworks的零件實(shí)體特征造型如圖3。

圖3 零件實(shí)體

2.2 圓體成形車(chē)刀尺寸計(jì)算及特征造型

(1)確定切削刃尺寸及刀具的結(jié)構(gòu)尺寸。刀具總體寬度L0=l0+a+b+c+d，其中l(wèi)0是零件成形表面的寬度;a是為了避免尖刃而附加的切削刃的寬度，一般取2 mm～5 mm;b是考慮零件端面尚需要精加工時(shí)的附加切削刃，一般為1 mm～3 mm;c是考慮切斷時(shí)的附加刀刃，一般為3 mm～8 mm;d是為了保證切削刃超過(guò)毛坯外圓而附加的切削刃，一般為0.5 mm～2 mm。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)，附加切削刃的偏角，一般取15°～20°［4］。

根據(jù)零件計(jì)算出圓體成形車(chē)刀的總寬度以及零件各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的尺寸如圖4。

圖4 成形車(chē)刀的總寬度

(2)刀具上任一點(diǎn)n對(duì)應(yīng)的半徑Rn的計(jì)算。根據(jù)如圖5的刀具投影圖，求刀刃上任一點(diǎn)n的半徑，公式為［5］

圖5 圓體成形車(chē)刀前角和后角的形成

可以將工件組成點(diǎn)劃分的非常細(xì)致，借助于計(jì)算機(jī)程序提高其設(shè)計(jì)尺寸精度，并用Solidworks進(jìn)行圓體成形車(chē)刀的特征造型，得到圓體成形車(chē)刀刀體如圖6。運(yùn)用Solidworks中的切除工具，以修剪后的刀具縱向前角和縱向后角草圖為切除輪廓，選擇兩側(cè)完全貫穿的切除的方式，得到圓體成形車(chē)刀三維實(shí)體模型如圖6。

圖6 圓體成型車(chē)刀三維實(shí)體模型圖

(3)將圓體成形車(chē)刀和零件在Solidworks中進(jìn)行裝配，形成車(chē)刀工作時(shí)的狀態(tài)如圖7。

圖7 圓體成形車(chē)刀工作圖

為了得到圓體成形車(chē)刀規(guī)定的前角和后角，設(shè)計(jì)時(shí)使車(chē)刀中心到前刀面的垂直距離hc=R1sin(αf+γf)。安裝時(shí)，使刀尖位于工件中心高度位置，并使刀具中心高 H，H=Rfsinαf，如圖 5。這樣就能形成所需的前角和后角。

2.3 圓體成形車(chē)刀設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)

傳統(tǒng)上，成形車(chē)刀設(shè)計(jì)方法有圖形法和計(jì)算法兩種。本文通過(guò)以圓體成形車(chē)刀為例，綜合了圖形法和計(jì)算法對(duì)圓體成形車(chē)刀進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后基于Solidworks對(duì)圓體成形車(chē)刀進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，闡明了圖形法和計(jì)算法各自的特點(diǎn)以及Solidworks設(shè)計(jì)軟件在現(xiàn)代設(shè)計(jì)工作中的作用，利用Solidworks中的特征造型工具不僅可以方便、快捷、高效率的完成圓體成形車(chē)刀的三維模型創(chuàng)建，而且由于Solidworks中的智能尺寸(任何草圖輪廓中的尺寸發(fā)生改變，就會(huì)反映到三維模型中)的強(qiáng)大功能，使得在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以方便的修改相應(yīng)的尺寸，相比手工設(shè)計(jì)的效率和精度得到很大的提高。另外，在Solidworks中的零件圖、裝配圖和工程圖三者之間是相互關(guān)聯(lián)而且是一一對(duì)應(yīng)，任何圖形中的尺寸發(fā)生變化，都會(huì)引起其他兩個(gè)圖形中對(duì)應(yīng)的尺寸跟著發(fā)生變化。在Solidworks中完成三維模型的創(chuàng)建后，可以利用零件圖、裝配圖和工程圖三者之間的相互關(guān)聯(lián)性，快速的得到零件圖和裝配圖對(duì)應(yīng)的工程圖，這也很大的提高了設(shè)計(jì)時(shí)的效率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的基于Solidworks的圓體成形車(chē)刀設(shè)計(jì)方法具有方便、簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)效率高、設(shè)計(jì)步驟清晰等優(yōu)點(diǎn)，該方法不僅可以用于圓體成形車(chē)刀的設(shè)計(jì)中，同時(shí)可將此方法應(yīng)用于其他成形刀具的設(shè)計(jì)中。

［1］盧秉恒.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］陳遼軍.基于Solid Works特征造型的成形車(chē)刀參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2003，37(7):43-46.

［3］二代龍震工作室.Solidworks+Motion+Somulation建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［4］張吉軍，賈昕宇，楊忠國(guó).成形車(chē)刀設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(2):198-199.

［5］韓清林，尹敏.成形車(chē)刀設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2011，45(5):83-85.