一种新型刨床刀具的设计和仿真

谢溪凌，王然，汪俊亮，郑卫刚

(1.武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063;2.武汉理工大学工程训练中心，湖北武汉430063)

首先，人们认识到，通过采用高效刀具提高劳动生产率来降低成本，比单纯节省刀具费用更加有利。所以，在现代刀具的制造和使用领域， “效率优先”已经代替了传统的“性能价格比”老概念。其次，近年来生产资料价格的不断升高，迫使工业制造企业减少加工成本，以保证经济收益。

普通刨床是用刀杆装夹刀体进行切削加工的，刀体常用的主要材料为高速工具钢和硬质合金。高速钢是综合性能较好、应用范围最广泛的一种刀具材料，俗称白钢、锋钢、风钢等。它具有较好的强度、冲击韧度、工艺性能，可以制造刃形复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。高速钢可以加工碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料。硬质合金材料的硬度高，耐磨性好，且在800 ～1 000℃的高温下仍能保持其良好的热硬性。刨床的刀具就常用此两种材料作为刀体，一般都是单杆单刃，使用加工效率低，为此，作者将其改成双杆双刃刀具进行切削，极大地提高了加工效率。

1 普通刨床刀杆组件缺点

在普通刨床上装夹刀具非常麻烦费时，特别是批量加工，效率极低。当然，大批量加工可用拉床拉刀加工孔及方槽等形状。但这种加工批量非常大，一般是专业生产厂家才采用［1］。

刨刀的种类很多，常用的刨刀形状如图1所示。由于刨削加工的不连续性，刨刀在切入工件时受到很大的冲击力，所以刨刀的刀杆横截面一般较大，以提高刀杆的强度。刨刀的刀杆有直杆和弯杆两种形式，由于刨刀在受到较大切削力时，刀杆会绕点O 向后弯曲变形。弯杆刨刀变形时，刀尖不会啃入工件，而直杆刨刀的刀尖会啃入工件，造成刀具及加工表面的损坏，所以弯杆刨刀在刨削加工中应用较多。

图1 刨床刨削加工示意图

2 刨床双杆双刃刀杆组件的设计

双杆双刃刨床刀杆组件是在原来刀杆上同时装上两把刀具，两把刀具相互平行且相隔10 mm 左右，同时两把刀具相对于工件的高度不同，从而实现刨削时刨削深度不同，可以使刨床在一次进程中完成两次刨削，大大提高了刨床的生产加工效率，如图2所示。同时，由于受装夹刀杆的夹具大小限制，不宜将其改为三刃或者多刃，难度较大。

图2 刨床双杆双刃刀杆组件

3 基于SolidWorks 软件的刀杆组件的仿真

在刀具工作过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度。切削力是金属切削过程中主要的物理现象之一，它直接影响着切削热的产生、刀具的磨损与耐用度以及已加工表面的质量，有时还会引起振动，甚至破坏刀具和机床零件。而且在设计刀具时，切削力也是必不可少的数据，尤其随着加工过程自动化的发展，切削力经常作为对切削过程进行自适应控制的一个重要参数。

近年来，CAD/CAE/CAM 在大型复杂机械设备中得到了广泛应用。SolidWorks 作为新一代CAD/CAE/CAM 软件，是基于特征的参数化实体造型系统，具有很强的零件设计功能。因此，作者在SolidWorks 中对刀杆组件进行仿真，对刀具进行应力分析，并且进行优化设计，从而达到优良的效果［2］。

通过在SolidWorks Simulation 中对模型定义材料属性，然后应用夹具并施加外部载荷，最后划分网格并运行，从而得出模型的应力、应变以及位移分析图，如图3、4所示。并通过云图中的应力、应变以及位移的求解运算结果，得出刀杆组件的应力、位移以及应变的最大值，如表1所示。最后通过与原先模型进行对比，得出刨床双杆双刃刀杆组件的强度和刚度满足设计和使用要求［3］。

图3 刨床单杆单刃刀杆组件的分析图

图4 刨床双杆双刃刀杆组件的分析图

表1 刨床两种刀杆组件仿真应力、位移以及应变最大值对比表

4 双杆双刃刨床刀杆组件的预期前景

刨床的双杆双刃刀具的设计通过增加刀刃的方法实现对高效加工的推动，减少了加工成本，提高了经济效益。当然，该设计中也有不完善的地方，作者将在以后的过程中进一步优化。

5 结束语

作者将刨床刀杆组件由原来的单杆单刃改为双杆双刃，在SolidWorks 中建立刀杆组件的数学模型，利用SolidWorks Simulation 对其进行力学分析［4］。通过分析以及和原先的刀杆组件模型进行对比，得出此设计不仅能够满足刀具所需的强度和刚度要求［5］，而且能够大大地提高生产效率，满足了现在机械生产的需求，符合当今生产发展的趋势。类似于此种的设计也可以使用在其他机床上。

【1】王松，郑卫刚.飞雕机床单杆双刃刀具的制作［J］.机床与液压，2011，39(4):139－140.

【2】郭课，安林超，季晔.基于SolidWorks 的矿井提升机主轴强度刚度分析［J］.河南机电高等专科学校学报，2010，18(4):10－13.

【3】李启鹏，刘万俊，仝崇楼，等.基于SolidWorks 运动仿真的平面八连杆机构优化设计［J］.机械传动，2009，33(1):63－67.

【4】孙旭.基于SolidWorks 的自卸汽车举升机构的仿真设计［J］.南通航运职业技术学院学报，2009，8(2):95－98.

【5】郭宏伟，刘荣强，邓宗全.空间索杆铰接式伸展臂性能参数分析与设计［J］.北京航空航天大学学报，2008，34(10):1186－1190.