基于Solidworks 的铲齿装配与运动仿真设计

于善平

(大连民族学院 机电信息工程学院，辽宁 大连116605)

成形铣刀是用来加工成形表面的专用工具。它和成形车刀一样，其刀具的轮廓需根据工件的轮廓来设计。采用成形铣刀可在通用的铣床上加工复杂形状的表面，并可获得较高的精度和表面质量，生产率也较高。成形铣刀在生产中应用比较广泛，尤其在涡轮机叶片加工中的应用更为普遍。成形铣刀常用来加工直槽，螺旋槽，齿轮等。根据齿背的加工方法，成形铣刀可分为尖齿成形铣刀和铲齿成形铣刀两种。

尖齿成型铣刀的齿背是利用专门的靠模铣削和刃磨的，它具有较高的寿命和较好的加工质量，但它比铲齿成形铣刀加工复杂，刃磨也比较困难，适合于在大批量的生产中使用。铲齿成型铣刀的齿背是用成形车刀按一定的曲线铲出的，重磨时只磨前刀面，刃磨方便，目前成形铣刀主要采用铲齿成形的结构［1］。

铲齿成形铣刀的齿背一般采用阿基米德螺线，重磨时只要刃磨前刀面就可保证刃形不变。由几何学知识可知，阿基米德螺线各点的位置随着半径转角值的增减而等比例地增减。因此，只要由等速旋转运动与沿半径方向的等速直线运动两者组合就可获得阿基米德螺线，这也是铲齿加工的原理。用计算机仿真模拟系统，从软件上实现零件的试切过程，将数控程序的执行过程在计算机屏幕上显示出来，是数控加工程序检验的有效方法。在动态模拟时，刀具可以实时在屏幕上移动，刀具与工件接触之处，工件的形状就会按刀具移动的轨迹发生相应的变化。观察者可在屏幕上看到的是连续的、逼真的加工过程。利用这种视觉检验装置，就可以很容易发现刀具和工件之间的碰撞及其它错误的程序指令，在教学和生产过程中有很高的实际意义。

1 软件使用方法

SolidWorks 软件是在windows 环境下开发的三维实体设计软件，SolidWorks 首创的特征管理，能够将设计过程的每一步记录下来，并形成特征管理树，显示在屏幕的左侧。SolidWorks 软件提供完整的免费的开发工具(API)，用户可以用微软的VB、VC+ +或其它支持OLE 的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口，Solid-Works 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD 软件集成到现在的设计环境中来［2］。它能够充分利用Windows 的优秀界面。

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。SolidWorks 软件在产品设计中的基本功能体现在以下几个方面。

1.1 零件设计

生成草图特征，包括凸台、凹槽以及冲压的、旋转的、沿二维草图扫掠过的或两个平行截面间拼合的槽。生成标准特征，包括孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱、筋等。草图装饰特征。生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标以及非实体参考基准的图。修改、删除、压缩、重定义和重排列特征以及只读特征。通过生成零件尺寸和参数的关系获得设计草图。在模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性。可以通过Solid-Works 定义高级特征以增强系统功能。

1.2 装配设计

使用重合、交叉、对齐等命令生成装配和子装配，终生成整个产品的装配，从一个装配中拆开装配的组件。

修改装配时设置的偏移，成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图。修改装配模型中的零件尺寸，产生工程信息、参考尺寸和装配质量等特性参数。

1.3 通用功能

用于距离的测量，几何角度、间隙和在零件间以及装配时的干涉检查，对于扫视、变焦距、旋转、阴影、重新定位模型和绘图的观察能力。这些功能可以用于铲齿过程的动态仿真设计中［3－6］。

2 基于SolidWorks 的铲齿过程运动仿真

2.1 铲齿成形铣刀设计

为了实现计算机铲齿加工过程的仿真，必须根据铲齿铣刀加工的工件形状及尺寸来确定铲齿铣刀的参数。

图1 工件廓形

所要加工的工件形状及尺寸如图1。根据图1 的工件廓形尺寸设计与之对应的成形铣刀(工件材料为45 钢，纵向前角γp=15°、纵向后角αp=12°)。

与铣刀有关的其他参数有:容屑槽形状、齿形高度H 和宽度B、铣刀的孔径d、铣刀的外径d0 和德螺线，需要在铲齿车床上用铲齿车刀加工完成。

铲齿车刀做等速横向进给的同时，铣刀做匀速直线运动，就可以铲制出一个铣刀刀齿，铲刀的廓形与铣刀的横截面廓形一致。铲刀径向匀速运动是靠凸轮的轮廓来实现的，凸轮的轮廓可以使得铲刀每铲一次，退回到原始位置，然后再次进给直至将所有得到吃全部铲削完毕，如图2。

图2 铲齿成型铣刀

2.2 铣刀，铲刀，凸轮的三维造型

利用Solidwoks 绘图和拉伸功能，完成成形铣刀、凸轮、铲齿车刀、及弹簧的三维造型，分别如图3 至图6，并保存为零件图，为以后的装配图作为元素。

图3 铣刀

图4 凸轮

图5 铲刀

图6 弹簧

2.3 装配与铲齿运动仿真

零件图制作完成之后，就要对零件图进行装配，仿真。在开始界面选择文件菜单，在下拉的菜单中选择新建SolidWorks 文件，选择装配图的选项，并插入工作区，依次插入所有需要装配的零件，准备开始装配。然后，把他们的面一一对应上，铣刀与铲刀配合，铲刀推杆和凸轮配合，弹簧和铲刀底部配合。

所有的零件配合好之后，开始编辑运动的过程，点击左下角的运动算例，在下边出现新的框体，然后选择添加马达一项，并且添加旋转的方向和转速。

添加凸轮一个，铣刀一个，凸轮的转速是铣刀的Z 倍，这样就能形成铲齿的加工过程所需的配合，然后再把支架隐藏起来，点击运动的按钮，铲齿过程就模拟了出来如图7 所示。至此铲齿成形铣刀的铲齿过程就通过SolidWorks 软件，成功仿真出来。

图7 铲齿过程

3 结 语

根据工件廓形完成了铲齿成形铣刀的结构设计，并且基于SolidWorks 系统和装配对象—铲齿的加工过程，建立了零部件三维实体模型和虚拟装配的模型，客观地描述了整个装配过程;在SolidWorks 中实现装配过程的动态仿真，改进了SolidWorks 系统中只有装配前和装配后两种状态的缺点。整个仿真过程由于是利用SolidWorks 系统的固有功能直接完成的，因此具有很大的可靠性。同时该运动仿真过程可以对铲齿全过程动态模拟并能实现碰撞和干涉检测。

［1］王洪琳.金属切削原理与刀具［M］.济南:山东大学出版社，2011.

［2］朱金权.Solid Works 软件在教学设计中的应用与研究［J］.新技术新工艺，2009(2):41 －44.

［3］石荣波，崇凯，陆文龙.基于Solid Edge 机械标准件的参数化设计［J］. 煤炭技术，2011(01):14 －16.

［4］张瑞亮.计算机三维机械设计基础［M］.北京:国防工业出版社，2013.

［5］赵罘.中文版Solid Works 2011 应用大全［M］.北京:科学技术出版社，2011.

［6］陈辽军，程伟.用于成形车刀Solid Works 的三维实体造型法［J］.工具技术，2000，37 (7):43 －46.