基于特征造型的棱体成形车刀设计与制造

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【摘 要】本文介绍了一种以被加工工件的外形为特征对象，利用三维设计软件SolidWorks对棱体成形车刀的廓形进行精确设计和造型的方法。实例表明利用工件外形特征造型后的棱体成形车刀可以很好的满足其设计与制造的要求。

【关键词】棱体成形车刀；SolidWorks；特征造型

0 引言

成形车刀是广泛应用于普通车床、六角车床、铲齿车床、自动车床和自动线加工的专用刀具，可加工各种回转体的成形表面。在整个21世纪中，切削加工仍是机械制造业的主导方法，切削加工（含磨削）不仅占其90%以上的份额，而且刀具消耗费用占到制造成本的2%-5%，刀具在机械加工中担当着十分重要的角色。成形车刀目前在汽车厂、拖拉机厂、轴承厂等工厂中应用较多。主要用于在半自动或自动车床上大量加工内、外回转体的成形表面。采用成形车刀加工可保证稳定的加工质量，生产率高。随着计算机技术的快速发展，目前，三维CAD已经进入普及应用阶段，因此，利用三维CAD强大的功能，在三维实体环境中用模拟的方法实现“反形法”加工，进而直接得到成形车刀的三维实体模型，再从三维模型得到所需截面的刀具廓形已不再困难。如果能通过研究成形车刀设计理论及三维软件的造型技术，对成形车刀廓形进行截形的精确设计，利用基于特征的参数化造型方法，可以有效的减少修改设计的时间及成本，提高成形车刀的设计质量和效率。

1 反形法加工法技术概述

成形车刀制造的“反形法”加工法是将与被加工工件形状完全相同的刀具（称为二类成形车刀，即制造成形车刀的成形车刀）按实际加工工件时的相对位置去切削成形车刀。采用这种“反形法”加工成形车刀，勿需进行车刀廓形的修正计算。但因“反形法”加工在应用上受到一定限制，因此在实际生产中已很少采用。随着计算机技术的快速发展，目前，三维CAD已经进入普及应用阶段，因此，利用三维CAD强大的功能，在三维实体环境中用模拟的方法实现上述反形法加工、进而直接得到成形车刀的三维实体模型，再从三维模型得到所需截面的刀具廓形已不再困难。本文研究一种基于SolidWorks系统的成形车刀设计新方法，该方法利用SolidWorks的特征造型、模拟装配、直接生成关联的工程图等功能实现成形车刀的参数化设计，对于不同的被加工件只需更改车刀的二维廓形以及相应的刀具参数就可以直接得到相应的刀具图纸。

2 基于特征造型的棱体成形车刀的精确设计与实现

棱体成形车刀是用来加工成形表面的专用刀具。它和其它成形车刀一样，其刀具廓形和尺寸需要根据工件来设计。其具体方法为，打开SolidWorks建立零件图模型，选择棱体成形车刀结构尺寸的一组标准数据，在前视基准面上绘制草图，扫描得到实体，然后根据燕尾尺寸和车刀前角拉伸切除得到前角和后角。在该零件体中设置一个参数输入层，将零件草图中所需的尺寸分别用线段和角度来表示，利用SolidWorks中的方程式工具可以将该车刀基体零件图草图绘制中的尺寸和参数输入层中的尺寸用方程式的形式联系起来，以参数输入层的尺寸驱动成形车刀零件草图的尺寸，这样就完成了参数驱动。将其保存为指定目录下，方便以后的程序调用。这个用标准数据做出的车刀基体将被作为模板来使用，如果要得到不同结构尺寸的棱体成形车刀基体，只需要参数驱动这个基体模板就可以得到新的刀具基体了。得到刀具基体后，就可以利用工件和刀具的装配体，通过工件替换的方法得到加工新工件所需要的成形车刀的廓形。

其具体方法为：预先在SolidWorks中绘制出几种工件的三维实体模型，需要注意的是所有工件必须在前视基准面上绘制草图，并且将原点设置在工件一端面上，否则将无法完成工件的替换。在SolidWorks中建立装配体模型，先后将工件和车刀基体插入，按照一定的装配要求进行配合，在车刀基体的前视基准面上将工件的廓形实体转换，然后以实体转换得到的草图为廓形，以成形车刀基体的前视基准面为基准进行两侧对称拉伸切除，最终得到刀具廓形。保存装配体模型。以后我们就以这个装配体模型为模板，如果需要得到新工件相对应的刀具廓形，只需打开这个保存的装配体模板，将其中的工件进行替换，根据工件的最大廓形深度更改两零件上视基准面之间的距离，即可以得到新的刀具精确廓形。利用VB语言设计如图1所示的棱体成形车刀参数输入和确定界面。

当进入到如图1所示的棱体成形车刀基本结构参数输入和确定界面时，可以根据所要加工的工件的基本尺寸和成形车刀所需要的刀具前角输入不同的参数，然后点击“确定”按钮棱体成形车刀基本结构尺寸参数就由系统自动算出，确定数据无误后，点击“生成刀具”按钮，即可在SolidWorks中生成相应的成形车刀基体。若操作者想重新输入参数就直接输入确定棱体成形车刀结构尺寸的Bw，hw，f等，然后按“确定”按钮系统重新计算出操作者所需要的棱体成形车刀的尺寸。在程序界面的右边还有一张标注着成形车刀设计各参数的工程图，以方便使用者查看。

3 设计实例

a）首先在SolidWorks中绘制出工件的三维实体图。其方法为：打开SolidWorks，新建零件，在前视基准面上绘制草图，定义尺寸，利用拉伸凸台特征命令得到工件三维实体模型。

b）利用VB程序参数驱动已经保存的SolidWorks刀具基体零件，得到具有设计尺寸的刀具基体。

c）建立装配体，分别插入工件和刀具，按照一定的装配关系进行装配配合。选择刀具的一个基准面，将工件的廓形实体转换。以转换的廓形为草图，成形车刀的中心轴为旋转轴进行旋转切除，得到要设计的棱体成形车刀的三维实体。

d）这时，在SolidWorks装配体环境下替换零部件，选择具有不同廓形的另一个工件，替换后发现刀具的廓形已经随工件廓形发生变化。

在SolidWorks中获取参数的方法是：将工程图用Save as命令存成dxf或dwg格式，然后再在AutoCAD中打开dxf或dwg文件，定义适当的坐标系，用List查询命令即可获得法面截形中每一线段的参数。如图3所示。

4 棱体成形车刀的廓形加工

基于SolidWorks可以在三维实体环境中根据工件的形状特征，容易地实现成形铣刀的三维实体模型设计，进而得到刀具工程图和廓形参数。在CAD/CAM集成的环境下，可直接提取工件的外形用于铣刀的制造，如对于装配式成形铣刀，刀片的制造可以利用已知的刀具廓形参数，在线切割加工机床上进行加工，通过控制合理的电流参数和走丝速度，使刀片的表面粗糙度达到要求，通过线切割使成形车刀的设计和制造效率显著提高。如图4所示为利用线切割加工后的棱体成形车刀。

【参考文献】

[1]叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册：上册[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]陈辽军，程伟.用于成形车刀CAD/CAM的三维实体造型法[J].工具技术，2000（11）.