基于Solidworks 的鏟齒裝配與運動仿真設計

于善平

(大連民族學院 機電信息工程學院，遼寧 大連116605)

成形銑刀是用來加工成形表面的專用工具。它和成形車刀一樣，其刀具的輪廓需根據工件的輪廓來設計。采用成形銑刀可在通用的銑床上加工復雜形狀的表面，并可獲得較高的精度和表面質量，生產率也較高。成形銑刀在生產中應用比較廣泛，尤其在渦輪機葉片加工中的應用更為普遍。成形銑刀常用來加工直槽，螺旋槽，齒輪等。根據齒背的加工方法，成形銑刀可分為尖齒成形銑刀和鏟齒成形銑刀兩種。

尖齒成型銑刀的齒背是利用專門的靠模銑削和刃磨的，它具有較高的壽命和較好的加工質量，但它比鏟齒成形銑刀加工復雜，刃磨也比較困難，適合于在大批量的生產中使用。鏟齒成型銑刀的齒背是用成形車刀按一定的曲線鏟出的，重磨時只磨前刀面，刃磨方便，目前成形銑刀主要采用鏟齒成形的結構［1］。

鏟齒成形銑刀的齒背一般采用阿基米德螺線，重磨時只要刃磨前刀面就可保證刃形不變。由幾何學知識可知，阿基米德螺線各點的位置隨著半徑轉角值的增減而等比例地增減。因此，只要由等速旋轉運動與沿半徑方向的等速直線運動兩者組合就可獲得阿基米德螺線，這也是鏟齒加工的原理。用計算機仿真模擬系統，從軟件上實現零件的試切過程，將數控程序的執行過程在計算機屏幕上顯示出來，是數控加工程序檢驗的有效方法。在動態模擬時，刀具可以實時在屏幕上移動，刀具與工件接觸之處，工件的形狀就會按刀具移動的軌跡發生相應的變化。觀察者可在屏幕上看到的是連續的、逼真的加工過程。利用這種視覺檢驗裝置，就可以很容易發現刀具和工件之間的碰撞及其它錯誤的程序指令，在教學和生產過程中有很高的實際意義。

1 軟件使用方法

SolidWorks 軟件是在windows 環境下開發的三維實體設計軟件，SolidWorks 首創的特征管理，能夠將設計過程的每一步記錄下來，并形成特征管理樹，顯示在屏幕的左側。SolidWorks 軟件提供完整的免費的開發工具(API)，用戶可以用微軟的VB、VC+ +或其它支持OLE 的編程語言建立自己的應用方案。通過數據轉換接口，Solid-Works 可以很容易地將目前市場幾乎所有的機械CAD 軟件集成到現在的設計環境中來［2］。它能夠充分利用Windows 的優秀界面。

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。SolidWorks 軟件在產品設計中的基本功能體現在以下幾個方面。

1.1 零件設計

生成草圖特征，包括凸臺、凹槽以及沖壓的、旋轉的、沿二維草圖掃掠過的或兩個平行截面間拼合的槽。生成標準特征，包括孔、倒角、圓角、殼、規則圖、法蘭盤、棱、筋等。草圖裝飾特征。生成參考基準面、軸、點、曲線、坐標以及非實體參考基準的圖。修改、刪除、壓縮、重定義和重排列特征以及只讀特征。通過生成零件尺寸和參數的關系獲得設計草圖。在模型上給定密度、單位、材料特性或用戶專用的質量特性。可以通過Solid-Works 定義高級特征以增強系統功能。

1.2 裝配設計

使用重合、交叉、對齊等命令生成裝配和子裝配，終生成整個產品的裝配，從一個裝配中拆開裝配的組件。

修改裝配時設置的偏移，成和修改裝配的基準面、坐標系和剖面圖。修改裝配模型中的零件尺寸，產生工程信息、參考尺寸和裝配質量等特性參數。

1.3 通用功能

用于距離的測量，幾何角度、間隙和在零件間以及裝配時的干涉檢查，對于掃視、變焦距、旋轉、陰影、重新定位模型和繪圖的觀察能力。這些功能可以用于鏟齒過程的動態仿真設計中［3－6］。

2 基于SolidWorks 的鏟齒過程運動仿真

2.1 鏟齒成形銑刀設計

為了實現計算機鏟齒加工過程的仿真，必須根據鏟齒銑刀加工的工件形狀及尺寸來確定鏟齒銑刀的參數。

圖1 工件廓形

所要加工的工件形狀及尺寸如圖1。根據圖1 的工件廓形尺寸設計與之對應的成形銑刀(工件材料為45 鋼，縱向前角γp=15°、縱向后角αp=12°)。

與銑刀有關的其他參數有:容屑槽形狀、齒形高度H 和寬度B、銑刀的孔徑d、銑刀的外徑d0 和德螺線，需要在鏟齒車床上用鏟齒車刀加工完成。

鏟齒車刀做等速橫向進給的同時，銑刀做勻速直線運動，就可以鏟制出一個銑刀刀齒，鏟刀的廓形與銑刀的橫截面廓形一致。鏟刀徑向勻速運動是靠凸輪的輪廓來實現的，凸輪的輪廓可以使得鏟刀每鏟一次，退回到原始位置，然后再次進給直至將所有得到吃全部鏟削完畢，如圖2。

圖2 鏟齒成型銑刀

2.2 銑刀，鏟刀，凸輪的三維造型

利用Solidwoks 繪圖和拉伸功能，完成成形銑刀、凸輪、鏟齒車刀、及彈簧的三維造型，分別如圖3 至圖6，并保存為零件圖，為以后的裝配圖作為元素。

圖3 銑刀

圖4 凸輪

圖5 鏟刀

圖6 彈簧

2.3 裝配與鏟齒運動仿真

零件圖制作完成之后，就要對零件圖進行裝配，仿真。在開始界面選擇文件菜單，在下拉的菜單中選擇新建SolidWorks 文件，選擇裝配圖的選項，并插入工作區，依次插入所有需要裝配的零件，準備開始裝配。然后，把他們的面一一對應上，銑刀與鏟刀配合，鏟刀推桿和凸輪配合，彈簧和鏟刀底部配合。

所有的零件配合好之后，開始編輯運動的過程，點擊左下角的運動算例，在下邊出現新的框體，然后選擇添加馬達一項，并且添加旋轉的方向和轉速。

添加凸輪一個，銑刀一個，凸輪的轉速是銑刀的Z 倍，這樣就能形成鏟齒的加工過程所需的配合，然后再把支架隱藏起來，點擊運動的按鈕，鏟齒過程就模擬了出來如圖7 所示。至此鏟齒成形銑刀的鏟齒過程就通過SolidWorks 軟件，成功仿真出來。

圖7 鏟齒過程

3 結 語

根據工件廓形完成了鏟齒成形銑刀的結構設計，并且基于SolidWorks 系統和裝配對象—鏟齒的加工過程，建立了零部件三維實體模型和虛擬裝配的模型，客觀地描述了整個裝配過程;在SolidWorks 中實現裝配過程的動態仿真，改進了SolidWorks 系統中只有裝配前和裝配后兩種狀態的缺點。整個仿真過程由于是利用SolidWorks 系統的固有功能直接完成的，因此具有很大的可靠性。同時該運動仿真過程可以對鏟齒全過程動態模擬并能實現碰撞和干涉檢測。

［1］王洪琳.金屬切削原理與刀具［M］.濟南:山東大學出版社，2011.

［2］朱金權.Solid Works 軟件在教學設計中的應用與研究［J］.新技術新工藝，2009(2):41 －44.

［3］石榮波，崇凱，陸文龍.基于Solid Edge 機械標準件的參數化設計［J］. 煤炭技術，2011(01):14 －16.

［4］張瑞亮.計算機三維機械設計基礎［M］.北京:國防工業出版社，2013.

［5］趙罘.中文版Solid Works 2011 應用大全［M］.北京:科學技術出版社，2011.

［6］陳遼軍，程偉.用于成形車刀Solid Works 的三維實體造型法［J］.工具技術，2000，37 (7):43 －46.