基于Solidworks的圓體成形車刀設計

于善平，羅躍綱，吳 斌

(大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連116605)

成形車刀是加工回轉體成形表面的專用刀具，其切削刃形狀是根據工件廓形設計的。成形車刀可用在各類車床上加工內外回轉體的成形表面。成形車刀具有生產效率高、加工精度穩定、刀具使用壽命長、刃磨方便以及操作簡單的特點。用成形車刀加工工件表面的精度與工人技術水平無關且能夠保證工件表面形狀和尺寸精度的一致性［1］。常用的成形車刀分為平體成形車刀、棱體成形車刀和圓體成形車刀。其中圓體成形車刀的刀體是圓柱形，重磨時是磨前刀面，可重磨次數更多。成形車刀的設計和制造比較復雜，成本也比較高，一般較為適宜在小型零件的大批、大量生產中應用。成形車刀傳統上使用計算法和圖解法設計，設計效率低、誤差大。利用計算機程序輔助設計圓體成形車刀的尺寸及結構參數，使用Solidworks對圓體成形車刀進行三維造型設計，可提高設計效率，減少設計過程中的雙曲線誤差，提高設計精度并且修改方便［2］。

1 軟件介紹

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，由于技術創新符合CAD技術的發展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產業中獲利最高的公司。Solidworks功能強大、易學易用和技術創新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks具有基于特征的參數化實體造型、NURBS復雜曲面造型、實體與曲面融合、基于約束的裝配造型以及IGES、STEP、VDAFS、DXF、DWG 等數據交換及其獨有的特征識別器(Feature works)等一系列先進的三維設計功能及工具，將二維繪圖與三維造型技術融為一體，為PC機上實現CAD/CAM的集成提供了條件。Solidworks還具有基于特征的參數化實體造型及曲面建模等功能，這些功能便于應用于成形車刀的設計。SolidWorks通過零部件之間、三維零部件與二維圖紙之間的關聯，可智能連接三維模型和二維圖紙，自動生成零部件尺寸、材料明細表(BOM)、具有指引線的零部件編號等技術資料，從而簡化工程圖紙的生成過程［3］。

2 基于Solidworks的圓體成形車刀設計

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°)來說明基于Solidworks的圓體成形車刀設計過程的實現過程。

圖1 工件廓形尺寸圖

2.1 用Solidworks創建零件實體

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

圖2 零件半輪廓

(2)根據圖2所繪制的零件半輪廓圖，在Solidworks中以中心線為旋轉軸，零件半輪廓圖為實體旋轉輪廓，旋轉后得到基于Solidworks的零件實體特征造型如圖3。

圖3 零件實體

2.2 圓體成形車刀尺寸計算及特征造型

(1)確定切削刃尺寸及刀具的結構尺寸。刀具總體寬度L0=l0+a+b+c+d，其中l0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的附加切削刃，一般為1 mm～3 mm;c是考慮切斷時的附加刀刃，一般為3 mm～8 mm;d是為了保證切削刃超過毛坯外圓而附加的切削刃，一般為0.5 mm～2 mm。另外，在設計時，附加切削刃的偏角，一般取15°～20°［4］。

根據零件計算出圓體成形車刀的總寬度以及零件各點對應的尺寸如圖4。

圖4 成形車刀的總寬度

(2)刀具上任一點n對應的半徑Rn的計算。根據如圖5的刀具投影圖，求刀刃上任一點n的半徑，公式為［5］

圖5 圓體成形車刀前角和后角的形成

可以將工件組成點劃分的非常細致，借助于計算機程序提高其設計尺寸精度，并用Solidworks進行圓體成形車刀的特征造型，得到圓體成形車刀刀體如圖6。運用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，選擇兩側完全貫穿的切除的方式，得到圓體成形車刀三維實體模型如圖6。

圖6 圓體成型車刀三維實體模型圖

(3)將圓體成形車刀和零件在Solidworks中進行裝配，形成車刀工作時的狀態如圖7。

圖7 圓體成形車刀工作圖

為了得到圓體成形車刀規定的前角和后角，設計時使車刀中心到前刀面的垂直距離hc=R1sin(αf+γf)。安裝時，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 圓體成形車刀設計方法特點

傳統上，成形車刀設計方法有圖形法和計算法兩種。本文通過以圓體成形車刀為例，綜合了圖形法和計算法對圓體成形車刀進行設計，然后基于Solidworks對圓體成形車刀進行三維設計，闡明了圖形法和計算法各自的特點以及Solidworks設計軟件在現代設計工作中的作用，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刀的三維模型創建，而且由于Solidworks中的智能尺寸(任何草圖輪廓中的尺寸發生改變，就會反映到三維模型中)的強大功能，使得在進行設計時可以方便的修改相應的尺寸，相比手工設計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聯而且是一一對應，任何圖形中的尺寸發生變化，都會引起其他兩個圖形中對應的尺寸跟著發生變化。在Solidworks中完成三維模型的創建后，可以利用零件圖、裝配圖和工程圖三者之間的相互關聯性，快速的得到零件圖和裝配圖對應的工程圖，這也很大的提高了設計時的效率。

3 結語

本文介紹的基于Solidworks的圓體成形車刀設計方法具有方便、簡單、設計效率高、設計步驟清晰等優點，該方法不僅可以用于圓體成形車刀的設計中，同時可將此方法應用于其他成形刀具的設計中。

［1］盧秉恒.機械制造技術基礎［M］.北京:機械工業出版社，2007.

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

［3］二代龍震工作室.Solidworks+Motion+Somulation建模/機構/結構綜合實訓教程［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［4］張吉軍，賈昕宇，楊忠國.成形車刀設計中的關鍵問題分析［J］.機械設計與制造，2008(2):198-199.

［5］韓清林，尹敏.成形車刀設計［J］.工具技術，2011，45(5):83-85.