一種新型刨床刀具的設(shè)計(jì)和仿真

謝溪凌，王然，汪俊亮，鄭衛(wèi)剛

(1.武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北武漢430063;2.武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，湖北武漢430063)

首先，人們認(rèn)識到，通過采用高效刀具提高勞動生產(chǎn)率來降低成本，比單純節(jié)省刀具費(fèi)用更加有利。所以，在現(xiàn)代刀具的制造和使用領(lǐng)域， “效率優(yōu)先”已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的“性能價格比”老概念。其次，近年來生產(chǎn)資料價格的不斷升高，迫使工業(yè)制造企業(yè)減少加工成本，以保證經(jīng)濟(jì)收益。

普通刨床是用刀桿裝夾刀體進(jìn)行切削加工的，刀體常用的主要材料為高速工具鋼和硬質(zhì)合金。高速鋼是綜合性能較好、應(yīng)用范圍最廣泛的一種刀具材料，俗稱白鋼、鋒鋼、風(fēng)鋼等。它具有較好的強(qiáng)度、沖擊韌度、工藝性能，可以制造刃形復(fù)雜的刀具，如鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀和齒輪刀具等。高速鋼可以加工碳鋼、合金鋼、有色金屬和鑄鐵等多種材料。硬質(zhì)合金材料的硬度高，耐磨性好，且在800 ～1 000℃的高溫下仍能保持其良好的熱硬性。刨床的刀具就常用此兩種材料作為刀體，一般都是單桿單刃，使用加工效率低，為此，作者將其改成雙桿雙刃刀具進(jìn)行切削，極大地提高了加工效率。

1 普通刨床刀桿組件缺點(diǎn)

在普通刨床上裝夾刀具非常麻煩費(fèi)時，特別是批量加工，效率極低。當(dāng)然，大批量加工可用拉床拉刀加工孔及方槽等形狀。但這種加工批量非常大，一般是專業(yè)生產(chǎn)廠家才采用［1］。

刨刀的種類很多，常用的刨刀形狀如圖1所示。由于刨削加工的不連續(xù)性，刨刀在切入工件時受到很大的沖擊力，所以刨刀的刀桿橫截面一般較大，以提高刀桿的強(qiáng)度。刨刀的刀桿有直桿和彎桿兩種形式，由于刨刀在受到較大切削力時，刀桿會繞點(diǎn)O 向后彎曲變形。彎桿刨刀變形時，刀尖不會啃入工件，而直桿刨刀的刀尖會啃入工件，造成刀具及加工表面的損壞，所以彎桿刨刀在刨削加工中應(yīng)用較多。

圖1 刨床刨削加工示意圖

2 刨床雙桿雙刃刀桿組件的設(shè)計(jì)

雙桿雙刃刨床刀桿組件是在原來刀桿上同時裝上兩把刀具，兩把刀具相互平行且相隔10 mm 左右，同時兩把刀具相對于工件的高度不同，從而實(shí)現(xiàn)刨削時刨削深度不同，可以使刨床在一次進(jìn)程中完成兩次刨削，大大提高了刨床的生產(chǎn)加工效率，如圖2所示。同時，由于受裝夾刀桿的夾具大小限制，不宜將其改為三刃或者多刃，難度較大。

圖2 刨床雙桿雙刃刀桿組件

3 基于SolidWorks 軟件的刀桿組件的仿真

在刀具工作過程中，刀具的切削部分要承受很大的壓力、摩擦、沖擊和很高的溫度。切削力是金屬切削過程中主要的物理現(xiàn)象之一，它直接影響著切削熱的產(chǎn)生、刀具的磨損與耐用度以及已加工表面的質(zhì)量，有時還會引起振動，甚至破壞刀具和機(jī)床零件。而且在設(shè)計(jì)刀具時，切削力也是必不可少的數(shù)據(jù)，尤其隨著加工過程自動化的發(fā)展，切削力經(jīng)常作為對切削過程進(jìn)行自適應(yīng)控制的一個重要參數(shù)。

近年來，CAD/CAE/CAM 在大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。SolidWorks 作為新一代CAD/CAE/CAM 軟件，是基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的零件設(shè)計(jì)功能。因此，作者在SolidWorks 中對刀桿組件進(jìn)行仿真，對刀具進(jìn)行應(yīng)力分析，并且進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到優(yōu)良的效果［2］。

通過在SolidWorks Simulation 中對模型定義材料屬性，然后應(yīng)用夾具并施加外部載荷，最后劃分網(wǎng)格并運(yùn)行，從而得出模型的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移分析圖，如圖3、4所示。并通過云圖中的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移的求解運(yùn)算結(jié)果，得出刀桿組件的應(yīng)力、位移以及應(yīng)變的最大值，如表1所示。最后通過與原先模型進(jìn)行對比，得出刨床雙桿雙刃刀桿組件的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)和使用要求［3］。

圖3 刨床單桿單刃刀桿組件的分析圖

圖4 刨床雙桿雙刃刀桿組件的分析圖

表1 刨床兩種刀桿組件仿真應(yīng)力、位移以及應(yīng)變最大值對比表

4 雙桿雙刃刨床刀桿組件的預(yù)期前景

刨床的雙桿雙刃刀具的設(shè)計(jì)通過增加刀刃的方法實(shí)現(xiàn)對高效加工的推動，減少了加工成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，該設(shè)計(jì)中也有不完善的地方，作者將在以后的過程中進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)束語

作者將刨床刀桿組件由原來的單桿單刃改為雙桿雙刃，在SolidWorks 中建立刀桿組件的數(shù)學(xué)模型，利用SolidWorks Simulation 對其進(jìn)行力學(xué)分析［4］。通過分析以及和原先的刀桿組件模型進(jìn)行對比，得出此設(shè)計(jì)不僅能夠滿足刀具所需的強(qiáng)度和剛度要求［5］，而且能夠大大地提高生產(chǎn)效率，滿足了現(xiàn)在機(jī)械生產(chǎn)的需求，符合當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展的趨勢。類似于此種的設(shè)計(jì)也可以使用在其他機(jī)床上。

【1】王松，鄭衛(wèi)剛.飛雕機(jī)床單桿雙刃刀具的制作［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(4):139－140.

【2】郭課，安林超，季曄.基于SolidWorks 的礦井提升機(jī)主軸強(qiáng)度剛度分析［J］.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，18(4):10－13.

【3】李啟鵬，劉萬俊，仝崇樓，等.基于SolidWorks 運(yùn)動仿真的平面八連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械傳動，2009，33(1):63－67.

【4】孫旭.基于SolidWorks 的自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8(2):95－98.

【5】郭宏偉，劉榮強(qiáng)，鄧宗全.空間索桿鉸接式伸展臂性能參數(shù)分析與設(shè)計(jì)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(10):1186－1190.