基于Solidworks的圆体成形车刀设计

于善平，罗跃纲，吴 斌

(大连民族学院机电信息工程学院，辽宁大连116605)

成形车刀是加工回转体成形表面的专用刀具，其切削刃形状是根据工件廓形设计的。成形车刀可用在各类车床上加工内外回转体的成形表面。成形车刀具有生产效率高、加工精度稳定、刀具使用寿命长、刃磨方便以及操作简单的特点。用成形车刀加工工件表面的精度与工人技术水平无关且能够保证工件表面形状和尺寸精度的一致性［1］。常用的成形车刀分为平体成形车刀、棱体成形车刀和圆体成形车刀。其中圆体成形车刀的刀体是圆柱形，重磨时是磨前刀面，可重磨次数更多。成形车刀的设计和制造比较复杂，成本也比较高，一般较为适宜在小型零件的大批、大量生产中应用。成形车刀传统上使用计算法和图解法设计，设计效率低、误差大。利用计算机程序辅助设计圆体成形车刀的尺寸及结构参数，使用Solidworks对圆体成形车刀进行三维造型设计，可提高设计效率，减少设计过程中的双曲线误差，提高设计精度并且修改方便［2］。

1 软件介绍

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks具有基于特征的参数化实体造型、NURBS复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于约束的装配造型以及IGES、STEP、VDAFS、DXF、DWG 等数据交换及其独有的特征识别器(Feature works)等一系列先进的三维设计功能及工具，将二维绘图与三维造型技术融为一体，为PC机上实现CAD/CAM的集成提供了条件。Solidworks还具有基于特征的参数化实体造型及曲面建模等功能，这些功能便于应用于成形车刀的设计。SolidWorks通过零部件之间、三维零部件与二维图纸之间的关联，可智能连接三维模型和二维图纸，自动生成零部件尺寸、材料明细表(BOM)、具有指引线的零部件编号等技术资料，从而简化工程图纸的生成过程［3］。

2 基于Solidworks的圆体成形车刀设计

以图1的工件廓形尺寸(工件材料为45钢，纵向前角 γp=15°、纵向后角 αp=12°)来说明基于Solidworks的圆体成形车刀设计过程的实现过程。

图1 工件廓形尺寸图

2.1 用Solidworks创建零件实体

(1)在Solidworks中新建零件图，选择前视基准面作为草图的基准绘制面，绘制零件的中心线和半轮廓如图2。

图2 零件半轮廓

(2)根据图2所绘制的零件半轮廓图，在Solidworks中以中心线为旋转轴，零件半轮廓图为实体旋转轮廓，旋转后得到基于Solidworks的零件实体特征造型如图3。

图3 零件实体

2.2 圆体成形车刀尺寸计算及特征造型

(1)确定切削刃尺寸及刀具的结构尺寸。刀具总体宽度L0=l0+a+b+c+d，其中l0是零件成形表面的宽度;a是为了避免尖刃而附加的切削刃的宽度，一般取2 mm～5 mm;b是考虑零件端面尚需要精加工时的附加切削刃，一般为1 mm～3 mm;c是考虑切断时的附加刀刃，一般为3 mm～8 mm;d是为了保证切削刃超过毛坯外圆而附加的切削刃，一般为0.5 mm～2 mm。另外，在设计时，附加切削刃的偏角，一般取15°～20°［4］。

根据零件计算出圆体成形车刀的总宽度以及零件各点对应的尺寸如图4。

图4 成形车刀的总宽度

(2)刀具上任一点n对应的半径Rn的计算。根据如图5的刀具投影图，求刀刃上任一点n的半径，公式为［5］

图5 圆体成形车刀前角和后角的形成

可以将工件组成点划分的非常细致，借助于计算机程序提高其设计尺寸精度，并用Solidworks进行圆体成形车刀的特征造型，得到圆体成形车刀刀体如图6。运用Solidworks中的切除工具，以修剪后的刀具纵向前角和纵向后角草图为切除轮廓，选择两侧完全贯穿的切除的方式，得到圆体成形车刀三维实体模型如图6。

图6 圆体成型车刀三维实体模型图

(3)将圆体成形车刀和零件在Solidworks中进行装配，形成车刀工作时的状态如图7。

图7 圆体成形车刀工作图

为了得到圆体成形车刀规定的前角和后角，设计时使车刀中心到前刀面的垂直距离hc=R1sin(αf+γf)。安装时，使刀尖位于工件中心高度位置，并使刀具中心高 H，H=Rfsinαf，如图 5。这样就能形成所需的前角和后角。

2.3 圆体成形车刀设计方法特点

传统上，成形车刀设计方法有图形法和计算法两种。本文通过以圆体成形车刀为例，综合了图形法和计算法对圆体成形车刀进行设计，然后基于Solidworks对圆体成形车刀进行三维设计，阐明了图形法和计算法各自的特点以及Solidworks设计软件在现代设计工作中的作用，利用Solidworks中的特征造型工具不仅可以方便、快捷、高效率的完成圆体成形车刀的三维模型创建，而且由于Solidworks中的智能尺寸(任何草图轮廓中的尺寸发生改变，就会反映到三维模型中)的强大功能，使得在进行设计时可以方便的修改相应的尺寸，相比手工设计的效率和精度得到很大的提高。另外，在Solidworks中的零件图、装配图和工程图三者之间是相互关联而且是一一对应，任何图形中的尺寸发生变化，都会引起其他两个图形中对应的尺寸跟着发生变化。在Solidworks中完成三维模型的创建后，可以利用零件图、装配图和工程图三者之间的相互关联性，快速的得到零件图和装配图对应的工程图，这也很大的提高了设计时的效率。

3 结语

本文介绍的基于Solidworks的圆体成形车刀设计方法具有方便、简单、设计效率高、设计步骤清晰等优点，该方法不仅可以用于圆体成形车刀的设计中，同时可将此方法应用于其他成形刀具的设计中。

［1］卢秉恒.机械制造技术基础［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］陈辽军.基于Solid Works特征造型的成形车刀参数化设计［J］.工具技术，2003，37(7):43-46.

［3］二代龙震工作室.Solidworks+Motion+Somulation建模/机构/结构综合实训教程［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［4］张吉军，贾昕宇，杨忠国.成形车刀设计中的关键问题分析［J］.机械设计与制造，2008(2):198-199.

［5］韩清林，尹敏.成形车刀设计［J］.工具技术，2011，45(5):83-85.