成形铣刀廓形的精确设计和制造

成形铣削时的铣刀是以与工件形状相匹配的廓形来切削工件，形成相应的工件外形。在SolidWorks软件的三维设计环境中模拟工件和刀具在实际加工时相互位置关系，利用其三维造型功能完成成形铣刀三维实体设计及前刀面内的投影视图，从而精确设计出铣刀廓形，显著提高成形铣刀的设计和制造的质量和效率。

    引言

    成形表面是零件的重要组成部分，也是产品加工过程的关键环节。成形刀具切削加工具有生产效率高、加工质量稳定和使用寿命长的特点，广泛应用于各种成形表面的加工。工件的成形表面由成形刀具的成形切削刃一次加工出来，不仅保证了表面质量，而且生产率大大提高，在零件成形表面加工中应用最为广泛的是成形铣刀。成形铣刀廓形是根据工件廓形设计出来的，反映在铣刀前刀面上，尽管廓形形态各异，但可以认为是由若干直线段和若干曲线段组合的。根据直线段的长度和位置不同，曲线段的半径、位置及对应的圆心角不同，组合在一起就形成了形态各异的廓形。

    由于铣刀具有较大的前角，所以刀齿前面的廓形高度不同于工件的截形高度，也不同于刀齿轴向剖面的截形高度。因此，铣刀的廓形和工件的廓形不一致，必须对铣刀廓形进行一定的修正计算。通过基于SolidWorks的三维造型功能，依据采用计算机辅助设计的工件外形，直接生成加工该工件形状的具有前角(y≠O)的成形铣刀廓形，从而提高成形铣刀的设计效率，并据此在线切割机床上完成铣刀刀片的加工，实现基于特征造型的成形铣刀的精确设计和制造。

    1 成形铣刀的设计

    基于SolidWorks系统的成形铣刀设计是利用其特征造型、模拟装配、直接生成关联的工程图等功能，以实现成形铣刀的参数化精确设计。对于不同的工件只需更改其三维廓形以及相应的刀具参数就可以直接得到相应的刀具廓形的图样，而无需在设计时再花大量的时间进行刀具廓形的修正计算。

    SolidWorks是一套机械设计自动化软件，它采用了Microsoft Windows图形用户界面。使用这套简单易学的工具，设计者能快速地按照其设计思想绘制出草图，尝试运用特征与尺寸及制作模型和详细的工程图。SolidWorks是一套基于Windows的CAD／CAE／CAM／PDM桌面集成系统，其价格仅为工作站CAD系统的1／4。该软件采用自顶向下或自下向上的设计方法，可动态模拟装配过程，自动生成同实体相关联的工程图纸。SolidWorks特征管理器中先进的特征树结构使操作更加直观，其完全的参数化设计和可修改性使应用更加方便。

    下面以图1(a)所示的工件廓形和尺寸为例(取刀具的前角yf=80，af=12。)来说明基于SolidWorks特征造型的成形铣刀参数化精确设计实现的过程。

nextpage    1．1 生成工件实体

    在SolidWorks中新建工件，选择前视基准面为草图平面绘制工件，经过拉伸后得到零件的实体，如图I(b)所示。

    以上视基准面为草图平面，按照铣刀前刀面和工件的相对位置(yf=8。)画直线，如图2(a)所示，以此直线按完全贯穿方式切除工件，如图2(b)所示。

    1．2 生成装配体，在装配体中进行成形铣刀实体的设计

    在SolidWorks中新建装配体，将已经完成的零件插入装配体，选择工件截切面为草图平面，用转换实体引用命令得到此平面上的截形，如图3(a)所示。去掉部分无关的线条，保留工件与刀具接触部分的线条，即以工件截形反方向延伸建立刀具前刀面的截形，如图3(b)所示。

以装配体的前视基准面为草图平面，在草图中画直线定出后刀面的位置，如图4(a)所示，直线的长度可以根据设计要求确定。以前刀面截形为截面，后刀面位置为路径，用扫描命令生成刀具实体，生成的刀具可以看作是铣刀的一个刀齿或装配式铣刀的刀片，如图4(b)所示。

    1．3 生成刀具工程图样

    在SolidWorks中新建工程图，将刀具零件插入工程图即可。当需要刀具的截形参数时，在SolidWorks中确定适当的剖面位置即可直接得到所需的剖面图。图5为刀具工程图(未注尺寸)，A4为其法面截形。

nextpage    1．4 获取刀具前刀面截形参数

    在SolidWorks中获取参数的方法：将工程图用Save as命令存成dxf或dwg格式，然后再在AutoCAD中打开dxf或dwg文件，定义适当的坐标系，用List查询命令即可获得法面截形中每一线段的参数。

在工件轮廓图上3-4段和11-12段对应的是圆弧，在图6中3-4段和11-12段对应的是部分椭圆，如果被加工的工件表面存在圆锥面，通常对应在铣刀前刀面上的廓形应为双曲线，这里用List查询命令就可得知刀具廓形各段样条曲线的若干个控制点坐标。下表为各段样条曲线控制点坐标查询结果。

    2 成形铣刀的制造

    基于SolidWorks可以在三维实体环境中根据工件的形状特征，容易地实现成形铣刀的三维实体模型设计，进而得到刀具工程图和廓形参数。在CAD／CAM集成的环境下，可直接提取工件的外形用于铣刀的制造，如对于装配式成形铣刀，刀片的制造可以利用已知的刀具廓形参数，在线切割加工机床上进行加工，通过控制合理的电流参数和走丝速度，使刀片的表面粗糙度达到要求，并且，一次安装可以同时加工多片，大大提高了生产率，如图7所示。使成形铣刀的设计和制造效率显著提高。

    3 结束语

    图7成形铣刀在线切割机床上装夹示意图成形铣刀廓形设计利用SolidWorks三维实体环境中根据被加工工件的外形实现成形铣刀的三维实体设计，进而得到刀具工程图和廓形参数。针对成形铣刀的设计，只要建立起相应工件和铣刀的装配体文件，在装配体中改变工件的廓形和刀具参数，就得到新的刀具实体、刀具工程图以及刀具廓形参数。刀具廓形参数提供给线切割加工机床，通过控制合理的电流参数和走丝速度，一次对多个铣刀刀片进行加工，实现了成形铣刀廓形的精确设计和高效加工。

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成形铣刀廓形的精确设计和制造

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