1 引言

　　成形車刀是一種加工回轉(zhuǎn)體成形表面的專用工具，它以其加工精度穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、刀具使用壽命長(zhǎng)和刃磨簡(jiǎn)便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于普通車床、六角車床、自動(dòng)及半自動(dòng)車床以及生產(chǎn)自動(dòng)線上。但由于成形車刀前角和后角的原因，刀具截形與工件廓形不同，這給成形車刀的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大的困難，使得成形車刀的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高。成形車刀的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有作圖法和計(jì)算法，這些傳統(tǒng)方法工作量大、計(jì)算復(fù)雜而且存在較大的廓形誤差，這些都制約著成形車刀的廣泛使用。

　　CAD/CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用和一系列優(yōu)秀CAD/CAM軟件的推出，給成形車刀的設(shè)計(jì)和制造提供了新的途徑。Pro/ENGINEER是一種被廣泛應(yīng)用的優(yōu)秀CAD/CAM軟件，特別是其參數(shù)化設(shè)計(jì)方法給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了極大的方便，應(yīng)用它可以大大簡(jiǎn)化成形車刀設(shè)計(jì)和制造。

　　2 成形車刀的實(shí)體模型設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用Pro/ENGINEER可以屏蔽掉成形車刀傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中許多繁瑣的步驟，以下以棱體成形車刀為例來(lái)說(shuō)明其設(shè)計(jì)方法。圖1為被加工零件的廓形圖。

圖1 被加工零件廓形圖

　　2.1 繪制刀具毛坯模型

　　使用建立實(shí)體特征命令“Solid→Protrusion→Extrude”命令，以前視圖平面(Front面)為繪圖平面，繪制出成形車刀毛坯縱向截面圖，其中前刀面與水平面夾角等于刀具前角γ(此處取刀具前角γ為15°)，同時(shí)使后刀面與垂直方向夾角等于刀具后角α(此處取刀具后角α為10°)，如圖2(a)所示。其余尺寸可根據(jù)實(shí)際情況確定，刀具毛坯的拉伸長(zhǎng)度等于工件的長(zhǎng)度。刀具毛坯的三維模型如圖2(b)所示。

(a) (b)

圖2 成形車刀毛坯圖

　　2.2 創(chuàng)建刀具實(shí)體模型

　　首先根據(jù)被加工零件輪廓得到車刀切削刃曲線。如圖3所示，在水平面內(nèi)繪制工件截形圖，各尺寸與零件圖尺寸相同，軸線與車刀毛坯上切削刃的距離等于工件最小圓周半徑。使用建立曲面特征命令Surface→Revolve命令，獲得被加工零件輪廓曲面。

圖3 工件截形圖的繪制效果

　　由建立實(shí)體特征命令“Solid→Cut→Use Quilt”，用工件輪廓曲面剪切刀具毛坯，這樣在前刀面上就可以得到刀具刃形曲線。

　　由“Datum→Curve→Projected”命令，用投影方式建立曲線特征，選擇切削刃刃形曲線為投影曲線，以刀具毛坯底面為投影面，選擇Along Dir選項(xiàng)，以刀具一條棱線作為投影路徑，把切削刃刃形曲線投影在刀具毛坯的底面上，結(jié)果如圖4所示。

圖4 切削刃刃形的形成

　　利用建立實(shí)體特征命令“Solid→Cut→Extrude”，選擇刀具底面為繪圖平面，使用Geom Tools→Use Edge命令選取投影曲線為剖切線，剪切掉刀具毛坯的多余部分，由此可以得到棱體成形車刀的三維實(shí)體模型。

　　2.3 刀具修形

　　由于在加工零件b-c部分時(shí)，刀具的主偏角κr=0°，使得此處刀具后角α=0°，從而導(dǎo)致加工時(shí)刀具磨損劇烈，因此需要對(duì)此處刀具刃形進(jìn)行修改。按照通常的方法，可以將上述切削刃曲線向內(nèi)偏置一個(gè)角度，使此處的主偏角略微增大。依舊使用實(shí)體特征建立命令Solid→Cut→Extrude，選擇刀具底面為繪圖平面，繪制出修改以后的切削刃曲線，利用它剪切掉多余部分。同樣可以使用這種方法作出成形車刀的燕尾榫部分，成形車刀最終的三維實(shí)體模型如圖5所示。

　　                                      圖5 成形車刀的三維實(shí)體模型

　　3 成形車刀的截形圖繪制

　　在三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)完成以后，就可以利用Pro/ENGINEER的工程圖制作功能完成二維工程圖。Pro/ENGINEER的工程圖和零件圖之間相互關(guān)聯(lián)，三維零件圖修改之后，二維工程圖會(huì)自動(dòng)更改，這是使用Pro/ENGINEER設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一。二維工程圖的制作方法可以參看有關(guān)書籍，這里不再詳細(xì)介紹。在Pro/ENGINEER工程圖標(biāo)注時(shí)系統(tǒng)缺省的尺寸是根據(jù)其三維實(shí)體得到，為零件的準(zhǔn)確尺寸，因此在尺寸標(biāo)注時(shí)應(yīng)該接受缺省的尺寸值。另外，還可以根據(jù)加工精度的需要調(diào)整尺寸精度。

　　確定了適當(dāng)?shù)膱D樣和比例之后，選擇需要的視圖進(jìn)行投影，除此之外還應(yīng)該做出一個(gè)剖面視圖，用以標(biāo)注尺寸。由于此時(shí)切削刃上的f-g曲線為雙曲線(見圖4)，與被加工零件輪廓曲線完全不同，按照通常的方法應(yīng)該分段標(biāo)注尺寸。在工程圖中，使用Tools→Use Edge命令選取要標(biāo)注的曲線，再使用Divide命令把曲線分割成若干段，然后標(biāo)注出各點(diǎn)的尺寸即可。由于Divide命令是根據(jù)弧長(zhǎng)分割曲線，這樣使得在曲線曲率大的部分標(biāo)注點(diǎn)密集而曲率小的部分標(biāo)注點(diǎn)稀疏，有利于在傳統(tǒng)加工方法中提高成形車刀的加工精度。繪制完成的成形車刀截形圖如圖6所示。

圖6 成形車刀截形圖

　　4 成形車刀廓形的加工

　　棱體成形車刀的廓形通常是通過計(jì)算或繪圖得到如圖6所示的截形圖和數(shù)據(jù)值，然后制作刀具樣板，根據(jù)樣板進(jìn)行切削加工，最后在光學(xué)曲線工具磨床上進(jìn)行精加工的方法成形的。這種加工方法存在許多弊端，而且還受到工廠設(shè)備條件的限制。目前CAD/CAM技術(shù)的普及和數(shù)控線切割機(jī)床在工廠的廣泛應(yīng)用，給成形車刀的加工制造提供了更快捷的方法。使用Pro/ENGINEER完成成形車刀的三位實(shí)體造型后，可以直接生成用于數(shù)控線切割機(jī)床的數(shù)控程序，控制機(jī)床進(jìn)行刀具廓形的加工，這樣大大簡(jiǎn)化了刀具的制造。Pro/ENGINEER的CAM功能這里就不再贅述了。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　使用Pro/ENGINEER可以簡(jiǎn)化成形車刀的設(shè)計(jì)，減小刀具的雙曲線誤差，提高成形車刀的制造精度，使成形刀具用于零件的精加工成為可能。CAD/CAM技術(shù)是制造業(yè)的發(fā)展方向，隨之產(chǎn)生的許多軟件都為零件的加工和制造帶來(lái)了便利。對(duì)于以往難以設(shè)計(jì)和加工的零件，如今完全可以利用新方法和新技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，這樣不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法、縮短設(shè)計(jì)周期，而且可以提高零件加工精度和企業(yè)的生產(chǎn)效率。