楊立平 劉思嘉 趙立紅 佟永祥哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

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機械制造基礎(chǔ)課程教學中立方體零件車削仿真研究

楊立平 劉思嘉 趙立紅 佟永祥
哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

摘 要：分析機械制造基礎(chǔ)課程教學中車削加工重要性，探討車削立方體零件，獲得外圓柱表面、外圓錐表面及內(nèi)孔表面的三維仿真方法。運用SolidWorks軟件，建立車刀及車床組件三維模型，車削立方體零件裝配體模型，探討四爪卡盤裝夾時，立方體工件軸心與回轉(zhuǎn)中心重合及不重合狀態(tài)下，車削外圓柱表面的三維仿真實現(xiàn)方法；為表現(xiàn)不同表面車削加工原理的異同，探討車削立方體零件外圓錐表面和內(nèi)孔表面的三維仿真實現(xiàn)方法，為仿真動畫在機械制造基礎(chǔ)課程教學中的推廣打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機械制造基礎(chǔ)；三維仿真技術(shù)；車削；SolidWorks軟件

當下信息技術(shù)已經(jīng)深入到人們生產(chǎn)生活的各個方面，對社會發(fā)展起到了不可忽視的推動作用。作為信息技術(shù)的重要組成部分，三維動畫仿真技術(shù)對高校教學的促進作用也越來越明顯，應(yīng)用也越來越廣泛。

機械制造基礎(chǔ)是與制造工程實踐緊密結(jié)合的課程，其主要任務(wù)是傳授學生機械制造過程的基本理論、方法以及基本工藝，使學生成為具有一定專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和實際操作能力的人才[1]。傳統(tǒng)教學中多是基于書本、實物模型及教師課堂手工繪圖等方式來幫助學生理解課堂知識，而存在的問題是實物模型簡單，缺少變化，教師手動繪圖直觀性不強，浪費時間。隨著多媒體技術(shù)的普及，近些年，教學中引入了實際錄像，但教學錄像制作成本高，受場地及加工條件限制[2]。

本文基于機械制造基礎(chǔ)課程的特點，運用計算機三維仿真技術(shù)，結(jié)合機械制造基礎(chǔ)課程中非圓柱體零件外圓柱面、外圓錐面和內(nèi)孔表面車削加工理論，研究以透視、動畫等方式對比展示立方體零件車削加工的特點，力求以動態(tài)方式展現(xiàn)車削加工原理，淺化抽象理論。

1 機械制造基礎(chǔ)課程中車削加工的重要性

雖然隨著科學技術(shù)的發(fā)展，毛坯制造精度不斷地提高，精鑄、精鍛、粉末冶金等加工工藝應(yīng)用日漸廣泛，但由于切削加工的適應(yīng)范圍廣，且能達到很高的精度和表面質(zhì)量，因此在機械制造業(yè)中依然占有非常重要的地位，也是機械制造基礎(chǔ)課程最重要的知識內(nèi)容。根據(jù)運動方式的不同，切削加工又分成多種切削加工方法，最常見的有車削、銑削、刨削等，在諸多切削加工方法中，車削加工最常見[1]。

車削是以工件的旋轉(zhuǎn)運動為主運動，車刀作進給運動的切削加工方法[1]。車削加工時，工件通過卡盤等夾具定位在車床上，并由主軸帶動旋轉(zhuǎn)，因此，車削加工方法可加工各種回轉(zhuǎn)體工件，可以加工外圓面、內(nèi)孔、平面、溝槽等，其加工范圍最為廣泛。

另一方面，無論是軸類零件、盤類零件還是其他不規(guī)則零件，外圓、內(nèi)孔表面都是最重要的組成表面，在零件使用過程中往往起到支撐配合的重要作用，掌握外圓和內(nèi)孔表面的加工原理及加工特點非常重要，而車削加工是外圓和內(nèi)孔表面最常用的加工方法，因此車削加工原理是切削加工的重要理論，是必須掌握的內(nèi)容。

2 車削立方體零件相關(guān)部件的三維建模

車削加工時，刀具與工件間位置的不同，刀具運動方式的不同，都會形成不同的已加工表面。目前，相比圓柱體零件，立方體零件車削加工的實例并不常見，為了使學生深入掌握車削加工中不同外形零件加工原理，運用SolidWorks軟件[3,4]，進行了車刀、四爪卡盤及車床主軸箱等零件的三維建模。

2.1 車床主軸箱模型

為建立車床主軸箱模型，首先新建單一設(shè)計零件，在上視基準面上，以原點為中心草繪長方形并倒圓角，選擇拉伸凸臺命令，設(shè)置拉伸高度和方向后，建立箱體模型。選擇切除拉伸命令，以箱體側(cè)面為草繪基準面繪制圓，設(shè)置切除方式為貫通方式。

2.2 四爪卡盤三維建模

車削加工時，立方體外形的零件一般通過四爪卡盤固定在車床上，為實現(xiàn)立方體零件加工仿真，設(shè)計建立四爪卡盤三維模型。首先，新建零件，點擊拉伸凸臺命令，選擇前視基準面為草繪平面，拉伸凸臺，選擇切除拉伸命令，以凸臺為基準面繪制圓，設(shè)定切除為貫通方式，獲得通孔。為建立卡盤爪槽三維模型，選擇切除拉伸命令，以上視基準面為草繪基準面繪制要切除圖形，選擇鏡像命令，以水平中心線為鏡像點鏡像其余線段，設(shè)定切除方式為貫通方式，獲得卡盤爪槽，選擇圓周陣列命令，設(shè)定陣列數(shù)為4，獲得均勻分布的4個卡盤爪槽。為獲得卡盤爪三維模型，選擇拉伸凸臺命令，基于卡盤槽底面為草繪基準面繪制卡盤爪基座草繪圖形，設(shè)定拉伸長度，得卡盤爪基座，同理建立卡盤爪三維模型。為獲得4個均勻分布的4個卡盤爪，選擇圓周陣列命令，陣列對象為卡盤爪基座、卡盤爪，獲得四爪卡盤。

2.3 車刀架及車刀三維建模

為實現(xiàn)車削加工仿真設(shè)計，建立車刀及刀架三維模型：首先進行刀架三維建模。先拉伸凸臺，在上視基準面上繪制正方形草圖，設(shè)置兩側(cè)對稱拉伸；然后選擇切除拉伸命令，在上視基準面上繪制小正方形草圖，設(shè)置反向切除，形成基座三維模型；再繪制刀架手柄，選擇基座上表面為草繪基準面，繪制圓，設(shè)置拉伸高度，再次拉伸凸臺，以此圓臺上表面為草繪基準面繪制相對圓心對稱的長方形，反向拉伸后，各面添加圓角，獲得刀架三維模型。其次，繪制右偏刀。選擇拉伸凸臺命令，以下基座的上表面為草繪基準面，繪制草繪圖形，為保證刀具與刀架位置關(guān)系，刀桿右側(cè)面與刀架內(nèi)壁重合。最后，繪制鎖緊螺栓。選擇拉伸凸臺命令，以刀架最上表面為草繪基準面，繪制圓，并線性陣列，設(shè)定反向拉伸高度，以保證螺栓與刀具接觸，同理根據(jù)外六角螺栓結(jié)構(gòu)尺寸繪制六邊形并線性陣列，設(shè)定正向拉伸高度，獲得右偏刀及刀架三維模型。同理，獲得內(nèi)孔車刀及刀架三維模型。

3 車削立方體零件的三維仿真方法研究

為改善教學效果，提高課堂教學質(zhì)量，基于所建立的三維模型，探討車削加工外圓柱表面，外圓錐表面和內(nèi)孔表面的三維仿真方法。

3.1 車削立方體零件外圓柱面的加工三維仿真

為實現(xiàn)立方體零件外圓柱面車削加工的三維仿真，首先建立車削加工裝配模型。依次插入主軸箱零件和四爪卡盤，并添加配合，使得卡盤內(nèi)圓面與主軸孔同軸，卡盤后端面與主軸箱前端面重合。插入立方體零件模型，添加配合使得卡盤與零件的右視基準面、上視基準面分別重合，同時使得零件后端面與卡盤前端面重合，以保證卡盤與零件同時轉(zhuǎn)動，且不產(chǎn)生任何相對運動。插入車刀模型，為保證車刀刀桿垂直與工件軸線，并且車刀刀尖與卡盤回轉(zhuǎn)軸線等高，添加距離配合，使得車刀上表面與主軸箱底距離為280 mm，車刀刀刃與工件前端面距離為0 mm。為保證車刀切削深度，添加距離配合使車刀刀尖距離主軸箱右視基準面距離為加工外圓半徑。為了實現(xiàn)刀具縱向進給，選擇切除拉伸命令，選擇車刀側(cè)面為草圖繪制基準面，繪制橫斷面草圖，選后視基準面繪制兩個圓，進入切除拉伸選項卡，設(shè)定反向切除長度，調(diào)整給定深度為反向，取消自動選擇選項，選擇工件為切除對象。為了能動態(tài)的展現(xiàn)車削加工的過程，需要使工件隨卡盤高速旋轉(zhuǎn)的同時，車刀能隨時間的變化不斷地縱向移動，因此，進行了如下切削外圓的動畫仿真。為了實現(xiàn)切削過程中工件高速旋轉(zhuǎn)的動畫仿真，點擊馬達，選擇主軸卡盤為添加對象，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度。為了實現(xiàn)刀具縱向移動切削仿真，在運動算例的配合選項中選取車刀與工件端面距離項，在8 s欄處右擊放置鍵碼，鍵碼放置完成后，雙擊該鍵碼，系統(tǒng)彈出的修改對話框中修改車刀移動長度尺寸。仿真設(shè)定結(jié)束后，在“視相與相機視圖”選項處，放置鍵碼，調(diào)整裝配體顯示角度。為實現(xiàn)動畫，點擊“計算運動算例”按鈕，獲得仿真動畫截圖如圖1所示。從圖中可見，仿真過程中，車刀是平行于工件回轉(zhuǎn)軸線移動的，隨著刀具的縱向移動，立方體零件不斷地被切削成外圓柱表面。

圖1 車削外圓仿真

3.2 四爪卡盤偏心裝夾時車削立方體零件外圓的三維仿真

四爪卡盤與三爪卡盤不同。三爪卡盤夾緊時是三3個爪聯(lián)動的，且自動定心。相比之下，四爪卡盤則是每個爪單獨移動，每個卡盤爪里，都安裝有一個絲桿，旋轉(zhuǎn)一個絲桿，只能實現(xiàn)一個卡盤爪移動，但是不能使四個卡盤爪同時移動來自動定心。為了生動展示四爪卡盤不自動定心帶來的加工問題，特地設(shè)計了四爪卡盤偏心裝夾情況下立方體零件的車削加工動畫仿真。

建立偏心四爪卡盤三維模型時，為了獲得偏心量，在卡盤面上繪制偏離原點的豎直中心線，及過原點的水平中心線，以交點為圓心，繪制右側(cè)水平卡盤爪草繪圖，同時以原點為圓心繪制豎直卡盤爪，通過鏡像獲得另兩個卡盤爪(如圖2所示)。

圖2 偏心四爪卡盤建模

設(shè)計車削加工裝配模型時，工件與四爪卡盤的右視基準面間距離約束值不是0 mm，而是中心線偏離量(如圖3所示)。

圖3 偏心車削裝配設(shè)置

點擊運動算例進行仿真設(shè)定，獲得仿真動畫截圖如圖4所示。

圖4 偏心車削加工動畫

從圖4中可見，仿真過程中，由于工件回轉(zhuǎn)中心與主軸回轉(zhuǎn)中心偏離，導致立方體工件上有一部分待加工表面不能被切除，這會直接影響到后續(xù)的精加工質(zhì)量，甚至影響產(chǎn)品的使用性能。

3.3 車削立方體零件外圓錐面的三維仿真

基于車刀及車床組件三維模型，進行了外圓錐面加工動畫仿真。選取插入菜單中的切除拉伸命令創(chuàng)建裝配體切削動畫，定義橫斷面草圖，選車刀側(cè)面為基準面繪制草圖，繪制兩個同心圓。在切除拉伸對話框內(nèi)輸入距離值，并選擇拔模斜度，給出具體數(shù)值，單擊手動選擇零件，點選工件外表面。

選擇運動算例選項，設(shè)計圓錐面車削仿真，獲得仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，若要實現(xiàn)外圓錐面加工，車刀進給時不能沿工件回轉(zhuǎn)軸線移動，而是要進給方向與工件軸線保持一定夾角，可知，仿真動畫能很直觀生動地展示外圓錐面加工原理。

圖5 外圓錐面加工動畫仿真

3.4 車削立方體零件內(nèi)孔的三維仿真

內(nèi)孔是零件的重要組成部分，而內(nèi)孔加工最常用的方法之一就是在車床上鏜孔，但是由車削加工原理的限制，車床上鏜孔存在局限性，車床上不能加工細長孔，且只能加工已有孔工件，為了能讓學生快速地掌握這一原理，進行了車床上加工立方體零件內(nèi)孔的三維仿真。

建立內(nèi)孔加工裝配模型。為清晰地展示內(nèi)孔車削過程，立方體零件裝配后編輯零件外觀，設(shè)置零件的透明度，使得內(nèi)孔輪廓清晰可見。為保證內(nèi)孔車刀與工件間的初始位置關(guān)系，車刀上表面與主軸箱底面添加距離約束，車刀刀尖與工件的右視基準面間添加距離約束，數(shù)值為加工孔的半徑，車刀頂部平面與工件端面添加距離約束，數(shù)值為0 mm。為實現(xiàn)刀具縱向進給時，工件內(nèi)孔表面不斷地被切除的動態(tài)過程，選擇切除拉伸命令，進行拉伸切除設(shè)置，步驟與外圓車削相同。為實現(xiàn)車床上內(nèi)孔加工的動畫仿真，點擊運動算例選項，在四爪卡盤上添加馬達，點擊運動算例中車刀與工件端面的距離配合選項，放置鍵碼，設(shè)定要加工的距離長度，由于孔加工屬于內(nèi)表面加工，不容易產(chǎn)生視覺效果，為了使孔的動態(tài)變化更直觀，在“視相與相機視圖”選項的2秒、4秒、6秒處，分別放置鍵碼，調(diào)整裝配體顯示角度與大小。最后點擊“計算運動算例”，獲得仿真截圖動畫如圖6所示。

圖6 內(nèi)孔加工動畫仿真

從圖6中可見，車刀從端面沿立方體零件軸線移動，刀頭進入預(yù)留孔內(nèi)，可知，若工件為實體零件，則車刀無法進入，也無法進行切削加工，而且由于刀桿長度的限制，車刀無法切削比刀桿長的內(nèi)孔。

4 結(jié)束語

本文研究了機械制造基礎(chǔ)課程中立方體零件車削加工外圓及內(nèi)孔表面的三維仿真方法?；趯C械制造基礎(chǔ)課程及教學特點的分析，探討了車削加工在機械制造基礎(chǔ)課程教學中的重要性，基于車削加工理論研究了車刀及車刀組件三維模型的建立方法，建立了四爪卡盤、車刀架等的三維模型，詳細探討了四爪卡盤正確裝夾和偏心裝夾情況下車削立方體零件外圓柱表面的三維仿真實現(xiàn)方法，為充分展示車削加工機理，深入探討和實現(xiàn)了車削加工外圓錐表面的三維仿真實現(xiàn)方法，車床上鏜內(nèi)孔的三維仿真實現(xiàn)方法，為增強動畫展示效果，設(shè)計零件為透明模型，在動畫仿真過程中，隨時間變化對工件位置和大小進行了實時調(diào)整，豐富了機械制造基礎(chǔ)課程教學方法。

參考文獻

[1] 任正義.機械制造工藝基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 楊立平,趙立紅,佟永祥,韓永杰,吳濱.機械制造基礎(chǔ)課程中多媒體與板書教學方式研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013(21):29-31.

[3] 北京兆迪科技有限公司.SolidWorks2013實例寶典[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[4] 邢啟恩. SolidWorks三維設(shè)計一點通[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.

3D Simulation Research of Turning Cubic Part Methods in Mechanical Manufacture Foundation Teaching

Yang Liping, Liu Sijia, Zhao Lihong, Tong Yongxiang
Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China

Abstract:Having analyzed the importance of turning method, 3D simulation methods of getting cylindrical surface, conical surface and inner surface. Using SolidWorks software, the 3D model of lathe components and lathe tool and the assembly model are built. Clamped by the four-claw Chuck, cutting method for the cylindrical surface of the cubic part are simulated separately, while the cubic part axis coincide or not coincide with the rotation center. Furthermore, 3D simulation for turning the conical surface and inner surface on the cubic part are discussed. This will help the simulation technology apply into the mechanical manufacture foundation teaching.

Key words:mechanical manufacture foundation; 3D simulation technology; turning; SolidWorks

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目(編號：JG2012010120)。

作者簡介：楊立平，博士，講師。

收稿日期：2015-08-20