于善平

(大連民族學(xué)院 機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧 大連116605)

成形銑刀是用來(lái)加工成形表面的專(zhuān)用工具。它和成形車(chē)刀一樣，其刀具的輪廓需根據(jù)工件的輪廓來(lái)設(shè)計(jì)。采用成形銑刀可在通用的銑床上加工復(fù)雜形狀的表面，并可獲得較高的精度和表面質(zhì)量，生產(chǎn)率也較高。成形銑刀在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛，尤其在渦輪機(jī)葉片加工中的應(yīng)用更為普遍。成形銑刀常用來(lái)加工直槽，螺旋槽，齒輪等。根據(jù)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(zhuān)門(mén)的靠模銑削和刃磨的，它具有較高的壽命和較好的加工質(zhì)量，但它比鏟齒成形銑刀加工復(fù)雜，刃磨也比較困難，適合于在大批量的生產(chǎn)中使用。鏟齒成型銑刀的齒背是用成形車(chē)刀按一定的曲線鏟出的，重磨時(shí)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(jié)構(gòu)［1］。

鏟齒成形銑刀的齒背一般采用阿基米德螺線，重磨時(shí)只要刃磨前刀面就可保證刃形不變。由幾何學(xué)知識(shí)可知，阿基米德螺線各點(diǎn)的位置隨著半徑轉(zhuǎn)角值的增減而等比例地增減。因此，只要由等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與沿半徑方向的等速直線運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)仿真模擬系統(tǒng)，從軟件上實(shí)現(xiàn)零件的試切過(guò)程，將數(shù)控程序的執(zhí)行過(guò)程在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，是數(shù)控加工程序檢驗(yàn)的有效方法。在動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，刀具可以實(shí)時(shí)在屏幕上移動(dòng)，刀具與工件接觸之處，工件的形狀就會(huì)按刀具移動(dòng)的軌跡發(fā)生相應(yīng)的變化。觀察者可在屏幕上看到的是連續(xù)的、逼真的加工過(guò)程。利用這種視覺(jué)檢驗(yàn)裝置，就可以很容易發(fā)現(xiàn)刀具和工件之間的碰撞及其它錯(cuò)誤的程序指令，在教學(xué)和生產(chǎn)過(guò)程中有很高的實(shí)際意義。

1 軟件使用方法

SolidWorks 軟件是在windows 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，SolidWorks 首創(chuàng)的特征管理，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)過(guò)程的每一步記錄下來(lái)，并形成特征管理樹(shù)，顯示在屏幕的左側(cè)。SolidWorks 軟件提供完整的免費(fèi)的開(kāi)發(fā)工具(API)，用戶可以用微軟的VB、VC+ +或其它支持OLE 的編程語(yǔ)言建立自己的應(yīng)用方案。通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，Solid-Works 可以很容易地將目前市場(chǎng)幾乎所有的機(jī)械CAD 軟件集成到現(xiàn)在的設(shè)計(jì)環(huán)境中來(lái)［2］。它能夠充分利用Windows 的優(yōu)秀界面。

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(shí)別器(Feature works)等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)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(chē)刀的設(shè)計(jì)。SolidWorks 通過(guò)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(dòng)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(hào)等技術(shù)資料，從而簡(jiǎn)化工程圖紙的生成過(guò)程。SolidWorks 軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的基本功能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 零件設(shè)計(jì)

生成草圖特征，包括凸臺(tái)、凹槽以及沖壓的、旋轉(zhuǎn)的、沿二維草圖掃掠過(guò)的或兩個(gè)平行截面間拼合的槽。生成標(biāo)準(zhǔn)特征，包括孔、倒角、圓角、殼、規(guī)則圖、法蘭盤(pán)、棱、筋等。草圖裝飾特征。生成參考基準(zhǔn)面、軸、點(diǎn)、曲線、坐標(biāo)以及非實(shí)體參考基準(zhǔn)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(guò)生成零件尺寸和參數(shù)的關(guān)系獲得設(shè)計(jì)草圖。在模型上給定密度、單位、材料特性或用戶專(zhuān)用的質(zhì)量特性?？梢酝ㄟ^(guò)Solid-Works 定義高級(jí)特征以增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

1.2 裝配設(shè)計(jì)

使用重合、交叉、對(duì)齊等命令生成裝配和子裝配，終生成整個(gè)產(chǎn)品的裝配，從一個(gè)裝配中拆開(kāi)裝配的組件。

修改裝配時(shí)設(shè)置的偏移，成和修改裝配的基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系和剖面圖。修改裝配模型中的零件尺寸，產(chǎn)生工程信息、參考尺寸和裝配質(zhì)量等特性參數(shù)。

1.3 通用功能

用于距離的測(cè)量，幾何角度、間隙和在零件間以及裝配時(shí)的干涉檢查，對(duì)于掃視、變焦距、旋轉(zhuǎn)、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(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)中［3－6］。

2 基于SolidWorks 的鏟齒過(guò)程運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 鏟齒成形銑刀設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)鏟齒加工過(guò)程的仿真，必須根據(jù)鏟齒銑刀加工的工件形狀及尺寸來(lái)確定鏟齒銑刀的參數(shù)。

圖1 工件廓形

所要加工的工件形狀及尺寸如圖1。根據(jù)圖1 的工件廓形尺寸設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)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(guān)的其他參數(shù)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(chē)床上用鏟齒車(chē)刀加工完成。

鏟齒車(chē)刀做等速橫向進(jìn)給的同時(shí)，銑刀做勻速直線運(yùn)動(dòng)，就可以鏟制出一個(gè)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(yùn)動(dòng)是靠凸輪的輪廓來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(chē)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(yùn)動(dòng)仿真

零件圖制作完成之后，就要對(duì)零件圖進(jìn)行裝配，仿真。在開(kāi)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(xiàng)，并插入工作區(qū)，依次插入所有需要裝配的零件，準(zhǔn)備開(kāi)始裝配。然后，把他們的面一一對(duì)應(yīng)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(kāi)始編輯運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，點(diǎn)擊左下角的運(yùn)動(dòng)算例，在下邊出現(xiàn)新的框體，然后選擇添加馬達(dá)一項(xiàng)，并且添加旋轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)速。

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

圖7 鏟齒過(guò)程

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)工件廓形完成了鏟齒成形銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且基于SolidWorks 系統(tǒng)和裝配對(duì)象—鏟齒的加工過(guò)程，建立了零部件三維實(shí)體模型和虛擬裝配的模型，客觀地描述了整個(gè)裝配過(guò)程;在SolidWorks 中實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，改進(jìn)了SolidWorks 系統(tǒng)中只有裝配前和裝配后兩種狀態(tài)的缺點(diǎn)。整個(gè)仿真過(guò)程由于是利用SolidWorks 系統(tǒng)的固有功能直接完成的，因此具有很大的可靠性。同時(shí)該運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程可以對(duì)鏟齒全過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬并能實(shí)現(xiàn)碰撞和干涉檢測(cè)。

［1］王洪琳.金屬切削原理與刀具［M］.濟(jì)南:山東大學(xué)出版社，2011.

［2］朱金權(quán).Solid Works 軟件在教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究［J］.新技術(shù)新工藝，2009(2):41 －44.

［3］石榮波，崇凱，陸文龍.基于Solid Edge 機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］. 煤炭技術(shù)，2011(01):14 －16.

［4］張瑞亮.計(jì)算機(jī)三維機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［5］趙罘.中文版Solid Works 2011 應(yīng)用大全［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

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