基于Solidworks的圓體成形車刀設(shè)計

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)

成形車刀是加工回轉(zhuǎn)體成形表面的專用刀具，其切削刃形狀是根據(jù)工件廓形設(shè)計的。成形車刀可用在各類車床上加工內(nèi)外回轉(zhuǎn)體的成形表面。成形車刀具有生產(chǎn)效率高、加工精度穩(wěn)定、刀具使用壽命長、刃磨方便以及操作簡單的特點(diǎn)。用成形車刀加工工件表面的精度與工人技術(shù)水平無關(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(shù)更多。成形車刀的設(shè)計和制造比較復(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。成形車刀傳統(tǒng)上使用計算法和圖解法設(shè)計，設(shè)計效率低、誤差大。利用計算機(jī)程序輔助設(shè)計圓體成形車刀的尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用Solidworks對圓體成形車刀進(jìn)行三維造型設(shè)計，可提高設(shè)計效率，減少設(shè)計過程中的雙曲線誤差，提高設(shè)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(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，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)有的特征識別器(Feature works)等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計功能及工具，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)用于成形車刀的設(shè)計。SolidWorks通過零部件之間、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等技術(shù)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(shè)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(shè)計過程的實(shí)現(xiàn)過程。

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 圓體成形車刀尺寸計算及特征造型

(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(shè)計時，附加切削刃的偏角，一般取15°～20°［4］。

根據(jù)零件計算出圓體成形車刀的總寬度以及零件各點(diǎn)對應(yīng)的尺寸如圖4。

圖4 成形車刀的總寬度

(2)刀具上任一點(diǎn)n對應(yīng)的半徑Rn的計算。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，借助于計算機(jī)程序提高其設(shè)計尺寸精度，并用Solidworks進(jìn)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(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，得到圓體成形車刀三維實(shí)體模型如圖6。

圖6 圓體成型車刀三維實(shí)體模型圖

(3)將圓體成形車刀和零件在Solidworks中進(jìn)行裝配，形成車刀工作時的狀態(tài)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(guī)定的前角和后角，設(shè)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(shè)計方法特點(diǎn)

傳統(tǒng)上，成形車刀設(shè)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(jìn)行設(shè)計，然后基于Solidworks對圓體成形車刀進(jìn)行三維設(shè)計，闡明了圖形法和計算法各自的特點(diǎn)以及Solidworks設(shè)計軟件在現(xiàn)代設(shè)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(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，就會反映到三維模型中)的強(qiáng)大功能，使得在進(jìn)行設(shè)計時可以方便的修改相應(yīng)的尺寸，相比手工設(shè)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(guān)聯(lián)而且是一一對應(yīng)，任何圖形中的尺寸發(fā)生變化，都會引起其他兩個圖形中對應(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應(yīng)的工程圖，這也很大的提高了設(shè)計時的效率。

3 結(jié)語

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

［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特征造型的成形車刀參數(shù)化設(shè)計［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.成形車刀設(shè)計中的關(guān)鍵問題分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008(2):198-199.

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