基于SolidWorks机夹式复杂型面铣刀设计*

师润平　韩春钰

(①贺州学院，广西 贺州542899；②深圳市航天精密刀具有限公司，广东 深圳518109)



基于SolidWorks机夹式复杂型面铣刀设计*

贺州学院博士科研启动基金项目(HZUJS201514)

师润平①韩春钰②

(①贺州学院，广西 贺州542899；②深圳市航天精密刀具有限公司，广东 深圳518109)

成形铣削是高效率、高精度加工复杂型面工件的先进方法，但所使用的机夹式复杂型面铣刀的设计制造比较复杂，利用SolidWorks强大的实体建模功能、装配功能和干涉检查等功能可以使机夹式复杂型面铣刀的设计过程快捷而可靠。

机夹式；复杂型面；铣刀；SolidWorks

标准刀具已不能满足工件上复杂型面的加工要求，成形刀具是解决这一问题的途径。外形尺寸较小的成形刀具，一般采用整体式或焊接式结构；而对于外形尺寸大的成形刀具，采用整体式或焊接式结构不经济，制造工艺上也不可行，而采用机夹式成形铣刀则可大大提高加工效率、降低加工成本。传统设计方法中，设计人员的专业水平决定了产品的设计水平，设计者个人的实践经验在设计过程中占有相当重要的作用，制约了刀具设计水平的整体提高，不能满足刀具高速发展的要求。随着计算机技术的发展，许多计算机辅助设计软件如Unigraphics Solutions公司的Unigraphics、PTC公司的Pro/Engineer、SolidWork公司的SolidWorks等已具有强大的三维实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等功能，通过软件分析和计算，能显著减少设计时间，显著减少样机或样品性能测试的次数。计算机辅助设计软件在刀具设计中的应用使得复杂刀具的设计变得简单而精确。深圳航天精密刀具有限公司受客户委托为其设计一款用于加工复杂型面的机夹式铣刀，要求加工的型面如图1所示。该刀具的设计，就是用SolidWorks软件完成的。

1　新旧加工工艺对比

1.1旧工艺的缺点

此零件旧的加工工艺是在刨床上进行仿形刨加工出工作型面的形状。所使用的刀具是整体式成形刨刀。这种工艺的缺点是，刀具只要有部分破损，便要更换整个刀具，造成加工成本增加，效率低。而且零件精度也较差，对操作工人的技术水平要求高。

1.2新工艺的特点

新的加工工艺是使用机夹式铣刀在加工中心上进行成形铣削。加工中心的使用大大提高了加工精度。采用机夹式结构，在正常使用情况下，刀体寿命比较长，不易损坏。单边切削刃用钝或刀片损坏后，只需更换刀片，降低了生产成本，提高了加工效率。

2　机夹式复杂型面铣刀的设计

2.1刀片的设计

要切出工件上所要求的轮廓外形，刀具轴向上必须至少具有一条与其形状相同的整体成形切削刃，或通过处于不同周向位置的刀片切削刃在轴向叠合后形成与其形状相同的搭接成形切削刃。机夹式铣刀采用的正是后者。由于采用的是成形铣削，刀片的设计必须基于工件外形轮廓。利用AutoCAD的二维绘图功能可方便地对工件轮廓进行划分，从而确定刀片的数量及外形。利用SolidWorks的实体造型功能可绘制刀片的三维图形。具体方法如下：

(1)首先利用AutoCAD绘制出工件的外形曲线，如图2a所示。

(2)对工件外形曲线进行划分，确定刀片轮廓。划分原则为：刀片结构合理、易于制造，刀片数量越少越好。对工件外形划分后的刀片轮廓如图2b所示。为了保证刀片组合后能切出完整的工件轮廓，相邻的刀片在接合处必须有部分轮廓是重合的。

(3)根据划分好的刀片轮廓，利用SolidWorks建立刀片的实体模型，如图2c、d所示。

2.2刀体的设计

刀体的设计其实就是各刀片空间位置的确定，只有每个刀片都处于正确的空间位置，组合后的整体刃形才是正确的。确定每个刀片的空间位置是机夹式铣刀设计中最繁琐的环节，不但占用设计人员的大量时间，而且还容易出错。利用SolidWorks的多种功能可以很方便快速地确定每个刀片的位置，从而设计出刀体的结构。具体方法如下：

(1)首先根据工件外形曲线，使用旋转凸台造型功能建立刀体基本体，如图3所示。

(2)根据第一片刀片的尺寸，使用拉伸切除功能在刀体基本体上切出刀片槽，并使用圆周阵列功能在刀体上阵列出周向上的其他刀片槽，如图4a所示。

(3)使用拉伸切除功能切出第二个刀片槽，第二个刀片槽要与第一个刀片槽在轴向上相邻搭接，周向上错开一个角度。这样排列刀片的目的是使刀片处于不同的周向位置，保证刀具能够轻快切削，如图4b所示。

(4)同上所述，依次完成各刀片槽的造型，用拉伸切除功能切出各刀片槽上安装刀片的螺纹孔。为增大排屑空间及增加刀具美观，在保证刀具强度的前提下切去刀具后刀面上多余的部分，最终完成刀体的造型，如图4c所示。

2.3模拟装配及干涉检查

应用SolidWorks的装配功能，将设计好的刀片、刀体、螺钉进行模拟装配，完成的刀具装配实体如图5所示。

对装配体进行干涉检查，以检查刀片与刀片槽是否存在干涉。在本次刀具的设计中没有出现干涉现象。如果存在干涉，可通过调整刀片槽之间错开的角度或刀片槽形状消除。

2.4生成工程图

将装配体和零件实体转换为工程图，如图6所示。并进行尺寸标注和补充必要视图，完善图纸。

3　结语

成形铣削是一种先进的用于加工具有复杂型面工件的加工方法，可以显著降低生产成本，提高效率和加工精度。但所使用的机夹式复杂型面铣刀的设计制造比较复杂，使用三维设计软件SolidWorks进行辅助设计，利用其实体建模功能、装配功能和干涉检查等功能，可以很好的解决设计中遇到的难题，使得设计变得简单。

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[4]郑险峰，李小双. 可转位铣刀的合理选用[J].应用科技，1999(6)：38-41.

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·名词解释·

超精密加工超精密加工是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的加工技术。超精密加工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级。到20世纪80年代，加工尺寸精度可达10纳米(1×10-8米)，表面粗糙度达1纳米。超精密加工对工件材质、加工设备、工具、测量和环境等条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、精密伺服系统、计算机控制以及其他先进技术。超精密加工包括：①超精密切削加工。如超精密车削、镜面磨削、研磨等，常用于加工有色金属材料的球面、非球面和平面的反射镜等高精度、表面高度光洁的零件。②超精密特种加工。如机械化学抛光、离子溅射和离子注入、电子束曝射、激光束加工、金属蒸镀、分子束外延等，其原理是应用化学能、电化学能、热能或电能等，使这些能量超越原子间的结合能，从而去除工件表面的部分原子间的附着、结合或晶格变形等，以达到超精密加工的目的。

拉拔机拉拔机是对金属材料进行拉拔的设备。通过拉拔使金属材料的直径发生改变，以达到所需的直径要求。通过空拉，游头拉等各种拉拔方式及改变模具可拉制各种不同规格直径的棒材和管材。

Design of machine clamp milling cutter with complex surface based on SolidWorks

SHI Runping①, HAN Chunyu②

(①Hezhou University, Hezhou 542899, CHN;②Shenzhen Aerospace Precision Tool Co., Ltd., Shenzhen 518109, CHN)

Forming milling is a high efficiency and precision machining way for complex surface parts, but the design and manufacturing technology of machine clamp milling cutter used for complex surface machining is more complex, SolidWorks with powerful function of entity modeling, assembly and interference check can make the design process of machine clamp milling cutter high-efficient and reliable.

mechanically clamped; complex surface; milling cutter; SolidWorks

TG714

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.015

师润平，男,1968年生，研究员,博士,主要研究方向为切削加工与刀具技术。

(编辑孙德茂)(2016-03-14)

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