基于SolidWorks環(huán)境的可轉(zhuǎn)位車(chē)刀快速參數(shù)化建模技術(shù)研究

譚 昕，徐林紅，鄧安藝

（1.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于SolidWorks環(huán)境的可轉(zhuǎn)位車(chē)刀快速參數(shù)化建模技術(shù)研究

譚 昕1，徐林紅2，鄧安藝2

（1.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的三維參數(shù)化建模過(guò)程中，車(chē)刀刀槽的三維設(shè)計(jì)通常是在SolidWorks環(huán)境下通過(guò)反復(fù)、煩瑣的拉伸切除命令實(shí)現(xiàn)，其效率低、容錯(cuò)能力差。通過(guò)對(duì)可轉(zhuǎn)位車(chē)刀刀槽幾何角度、刀片幾何角度與車(chē)刀角度之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的推導(dǎo)和分析，并根據(jù)刀具頭部形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，在此基礎(chǔ)上，在SolidWorks環(huán)境下運(yùn)用Visual Basic二次開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)了可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的參數(shù)化建模軟件包，通過(guò)刀尖點(diǎn)定位，利用布爾實(shí)體運(yùn)算快速實(shí)現(xiàn)刀槽的三維建模；通過(guò)交互界面的參數(shù)輸入可實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的快速裝配與仿真。

可轉(zhuǎn)位車(chē)刀；參數(shù)化設(shè)計(jì)；二次開(kāi)發(fā)

1 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的幾何參數(shù)

1.1 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的角度組成

由可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其幾何角度是由刀片的幾何角度和刀桿槽的幾何角度共同組合而成。如圖1所示為可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的角度組成[1］。

圖1 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的角度組成

其中刀片角度有：刀片法前角γnb、刀片法后角αnb、刀片刃傾角λsb、刀片刀尖角εrb。

車(chē)刀的獨(dú)立角度有：前角γ0、后角α0、主偏角κr、刃傾角λs。

刀槽的獨(dú)立角度有：刀槽前角γog、刀槽刃傾角λsg、刀槽主偏角κrg、刀槽刀尖角εrg。

1.2 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀設(shè)計(jì)過(guò)程中角度的計(jì)算

在可轉(zhuǎn)位車(chē)刀設(shè)計(jì)中通常是根據(jù)車(chē)刀所要求的幾何角度和標(biāo)準(zhǔn)刀片的幾何角度，求刀槽的幾何角度，并對(duì)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[2］。

1）車(chē)刀設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)：κr、λs、γ0、εr。

2）標(biāo)準(zhǔn)刀片參數(shù)：γnb＞0、αnb、λsb、εrb。

3）常用的刀片αnb=0、λsb=0，對(duì)應(yīng)的刀桿通常設(shè)計(jì)成κrg=κr、λsg=λs、εrb=εr。

4）刀槽幾何角度的計(jì)算。

刀槽主偏角：κrg=κr；刀槽刃傾角：λsg=λs；

刀槽前角：

一般α0′的最小值應(yīng)大于2°～3°。當(dāng)?shù)镀ㄇ敖铅胣b＞0、刀片法后角αnb=0時(shí)，由計(jì)算可知，車(chē)刀的刃傾角λs（λsg）需取負(fù)值。

2 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀種類(lèi)及其尺寸

根據(jù)可轉(zhuǎn)位車(chē)刀頭部結(jié)構(gòu)，可轉(zhuǎn)位車(chē)刀可分為直頭式和偏頭式；按進(jìn)給方向，可轉(zhuǎn)位車(chē)刀可分為側(cè)切和端切。

直頭式刀桿主偏角κr小于或等于90°、f小于b。按刀桿的方向與車(chē)刀進(jìn)給方向的關(guān)系，將偏頭形式的可轉(zhuǎn)位車(chē)刀劃分為偏頭端切及偏頭側(cè)切。與直頭式可轉(zhuǎn)位車(chē)刀相比，偏頭式刀桿的刀頭部分相對(duì)于刀桿寬度有一定的偏移量，主偏角的大小關(guān)系：0°＜κr＜180°。偏頭端切的可轉(zhuǎn)位車(chē)刀進(jìn)給方向與刀桿長(zhǎng)度方向相同[3］。

可轉(zhuǎn)位刀片是各種可轉(zhuǎn)位刀具的最關(guān)鍵部分，正確選擇和使用可轉(zhuǎn)位刀片是合理設(shè)計(jì)和使用可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的重要內(nèi)容?？赊D(zhuǎn)位刀片已標(biāo)準(zhǔn)化，按形狀將可轉(zhuǎn)位刀片劃分為：正三角形、菱形、正方形、80°等邊六邊形、帶偏8°的三角形等[4］。

3 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀參數(shù)化建模

3.1 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)

可轉(zhuǎn)位車(chē)刀是由刀桿、刀片、墊片及夾緊元件裝配而成。其中刀桿為主體，刀片及墊片套裝在夾緊元件上，通過(guò)夾緊元件使刀片與墊片固定在刀桿上的刀槽中，從而組成可轉(zhuǎn)位車(chē)刀。由可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的組成及結(jié)構(gòu)，對(duì)于可轉(zhuǎn)位車(chē)刀參數(shù)化建模，就是建立4個(gè)參數(shù)化模型：已切出刀槽的刀桿、刀墊、刀片和夾緊元件。將建立好的4個(gè)模型裝配，從而完成可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

1）刀桿的參數(shù)化建模需要選擇頭部形式，按不同的頭部形式建立參數(shù)化模型。

2）刀片參數(shù)化模型建模的主要參數(shù)：內(nèi)切圓直徑d、孔徑d1、刀片厚度s、圓角半徑r、法前角、法后角、刃傾角、刀尖角。一般刀片法后角取為0°、刃傾角也取為0°，刀片帶前角但刀片前面未切出。

3）墊片參數(shù)化建模：在可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型中，墊片和刀片外部輪廓相同。

3.2 刀桿槽參數(shù)化建模

可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的空間幾何角度關(guān)系復(fù)雜，刀槽參數(shù)化建模是可轉(zhuǎn)位車(chē)刀建模中的難點(diǎn)。完成刀桿模型的建立后，根據(jù)車(chē)刀角度關(guān)系，切出車(chē)刀前面，再切出主、副后面，最后調(diào)用或重新繪制刀片切塊（不同于刀片），通過(guò)布爾減運(yùn)算（即組合減命令），切出刀槽。具體過(guò)程如下：

前刀面：前刀面在空間位置是一個(gè)斜面。由可轉(zhuǎn)位車(chē)刀角度關(guān)系，在已知刀槽前角、刃傾角、刀槽刀尖點(diǎn)的基礎(chǔ)上，就可以確定前面。在SolidWorks中，通過(guò)特征移動(dòng)復(fù)制中的旋轉(zhuǎn)實(shí)體命令以及組合相減命令以新建圓柱體切出前面。

在圖2中，要將斜平面ABCD（AEF）轉(zhuǎn)成與平面EOF平行的正平面，由空間幾何學(xué)，首先將實(shí)體繞oy軸或其平行軸旋轉(zhuǎn)ax角度，其次繞oy軸或其平行軸旋轉(zhuǎn)復(fù)合角Wy角度。由可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的幾何角度關(guān)系，將其與上圖結(jié)合，將主切削刃當(dāng)成線段CD，則ax等于刃傾角、ay等于刀槽前角，刀尖點(diǎn)的位置由刀桿尺寸確定。旋轉(zhuǎn)主切削刃與X軸平行，利用組合減命令，切出前刀面。

圖2 前刀面位置坐標(biāo)

主、副后面：可轉(zhuǎn)位車(chē)刀后面一般與刀片對(duì)應(yīng)的面平行，并具有相等的懸升量，在 Solid-Works中用刀片實(shí)體的后面分割刀桿，就能切出車(chē)刀后面。

刀槽：刀槽是安裝刀片和墊片的，其形狀與刀片相同。在SolidWorks中可以利用刀片模型切出刀槽。通過(guò)將刀片實(shí)體進(jìn)行上下移動(dòng)（即y軸移動(dòng)），獲得刀槽深度參數(shù)變量，x軸和z軸的平移獲得刀片安裝位置，最后組合減即可，從而完成刀槽模型的建立。

3.3 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的虛擬裝配

可轉(zhuǎn)位車(chē)刀采用自下而上的裝配方法，以刀桿槽零件為第一個(gè)裝配零件并固定刀桿。由可在轉(zhuǎn)位車(chē)刀的組成關(guān)系，先插入墊片并與刀槽配合；然后插入圓柱偏心銷(xiāo)并與墊片配合；最后插入刀片零件并與墊片和刀槽配合定位（見(jiàn)圖3）。

圖3 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的虛擬裝配

4 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀快速建模軟件實(shí)現(xiàn)

本研究利用SolidWorks軟件所帶的Visual Basic接口進(jìn)行可轉(zhuǎn)位車(chē)刀參數(shù)化建模的軟件包編程。軟件包有兩種可視化界面，其一為程序功能主界面，其上可選擇刀片、刀桿、夾緊元件等子功能項(xiàng)；另一個(gè)界面是模型參數(shù)界面，負(fù)責(zé)各子項(xiàng)功能的具體參數(shù)輸入。在各子項(xiàng)參數(shù)輸入完成后，可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的三維模型建立、顯示與輸出則由SolidWorks軟件的Parasolid核心完成[5］。

本程序?qū)崿F(xiàn)了6種模型建模：可轉(zhuǎn)位車(chē)刀、刀桿、刀桿槽、刀片、墊片以及圓柱偏心銷(xiāo)。不同實(shí)體模型的建立對(duì)應(yīng)不同的建模命令按鈕，在VB程序編寫(xiě)中，使用6個(gè)主函數(shù)，通過(guò)調(diào)用參數(shù)變量等子函數(shù)或調(diào)用其他主函數(shù)實(shí)現(xiàn)該主函數(shù)的功能，如可轉(zhuǎn)位車(chē)刀建模主函數(shù)調(diào)用了刀桿槽、刀片、墊片等主函數(shù)[6］。

4.1 程序功能主界面

可轉(zhuǎn)位車(chē)刀是由刀桿、刀片、墊片及夾緊元件裝配而成。程序主界面菜單實(shí)現(xiàn)了用戶需要建立模型的選擇，包括可轉(zhuǎn)位車(chē)刀、刀片、墊片、刀桿槽、刀桿及圓柱偏心銷(xiāo)模型的選擇和程序使用說(shuō)明。圖4所示為可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型窗口。程序設(shè)計(jì)功能是實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)程序主界面上級(jí)菜單選擇需要利用程序生成的模型，點(diǎn)擊生成該種實(shí)體模型所需的參數(shù)菜單，輸入?yún)?shù)并檢查參數(shù)的完整性以及正確性后，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的建模命令按鈕，在SolidWorks中就能顯示用戶輸入?yún)?shù)所對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體模型。

圖4 可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型窗口

圖4所示界面窗口左側(cè)按鈕菜單為程序?qū)崿F(xiàn)可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型必要的參數(shù)選項(xiàng)的顯示。要建立可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型，需要輸入刀桿參數(shù)、刀片參數(shù)、墊片參數(shù)、車(chē)刀角度、夾緊元件選項(xiàng)下的參數(shù)。

在主界面中，除了可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型窗口外，還有刀桿、刀桿槽、刀片、墊片以及圓柱偏心銷(xiāo)模型窗口，每個(gè)模型窗口左側(cè)欄都有所選模型所需的參數(shù)選項(xiàng)。

4.2 模型參數(shù)界面

圖5所示為可轉(zhuǎn)位車(chē)刀建模過(guò)程中的刀桿參數(shù)輸入窗口。

圖5 刀桿參數(shù)輸入窗口

如圖5所示，建立可轉(zhuǎn)位車(chē)刀模型需要的參數(shù)選項(xiàng)除了刀桿參數(shù)外，還有刀片參數(shù)、墊片參數(shù)、車(chē)刀角度、夾緊元件。建立其他零件模型時(shí)也是上述幾項(xiàng)參數(shù)選項(xiàng)中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)，在本程序中，共有上述5個(gè)獨(dú)立的參數(shù)輸入窗口。如圖6所示為車(chē)刀角度輸入窗口，部分完成的刀槽模型如圖7所示。

圖6 車(chē)刀角度輸入窗口

圖7 刀槽的三維參數(shù)化模型

5 結(jié)語(yǔ)

筆者介紹的軟件包在研究可轉(zhuǎn)位車(chē)刀角度、刀槽角度及刀片角度之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，利用SolidWorks三維建模軟件，通過(guò)輸入車(chē)刀角度，利用三維刀片模型在刀桿上進(jìn)行布爾運(yùn)算快速切出刀槽的三維幾何形狀，從而避免了傳統(tǒng)刀槽建模中的煩瑣。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可轉(zhuǎn)位車(chē)刀上其他元件的參數(shù)化建模及可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的自動(dòng)裝配，大大提高了可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的三維參數(shù)化建模效率，為可轉(zhuǎn)位車(chē)刀的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。

[1］鄒平.可轉(zhuǎn)位車(chē)刀刀槽的幾何角度[J］.機(jī)械工人：冷加工，1993（7）：10-11.

[2］袁劍.可轉(zhuǎn)位車(chē)刀刀片槽的銑削方法[J］.機(jī)械工程師，2009（6）：127-128.

[3］彭林中，張宏.機(jī)械切削刀具及應(yīng)用速查手冊(cè)[M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4］袁哲俊，劉華明.車(chē)刀和刨刀：金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5］殷國(guó)富，徐雷，胡曉兵.SolidWorks2007二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)例精解[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6］周靄如，林偉健，官士鴻.Visual Basic程序設(shè)計(jì)[M］. 2版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

TAN Xin1，XU Lin-hong2，DENG An-yi2
（1.School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；2.Faculty of Mechanical and Electronic Information，China University of Geosciences，Wuhan 430074，Hubei，China）

In general 3D modeling methods of indexable turning tools，the parameterized models are created by repeatedly using extrude and cut instructions in the software SolidWorks. Introduces a rapid method for parameterized modeling of indexable turning tools.Firstly，the relations of geometry angles between grooves and cutter bars are seriously deducted.Then the cutters are classified according to their heads.Finally，a package of computer programs is developed by Visual Basic programming in SolidWorks.The special package of computer programs can realize the functions of rapidly assembling and parameterized simulation.

indexable turning tool；parameterized design；secondary development

TG659

：A

：1673-0143（2012）03-0069-04

（責(zé)任編輯：陳 曠）

2012-05-14

譚 昕 （1972—），男，副教授，博士，研究方向：復(fù)雜成型原理齒輪數(shù)據(jù)加工、機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。