基于Solid Edge的链轮滚刀加工刀具刃形的精确设计与加工

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1 引言

按传统方法设计、制造链轮滚刀等复杂刀具时，虽然已知滚刀的法向齿形，但由于缺少可精确求解滚刀轴向齿形的简捷方法，造成加工滚刀用的车刀、铲齿刀等刀具设计复杂、计算繁琐、容易出错，加工余量大且分布不均，加工出的滚刀齿形精度不易达到设计要求，需采用试切法对滚刀齿形进行修正。虽然目前国内已开发出一些复杂刀具CAD/CAM 系统．但真正应用于生产实践的并不多。

根据国内企业的技术现状，完全可以利用现有的计算机三维造型技术及线切割加工工艺实现滚刀加工刀具的设计与制造。本文提出一种新的刀具精确设计与制造方法，即采用现代三维实体造型技术设计出刀具的三维实体模型，将滚刀法向齿形在模型上直接转换为轴向齿形，同时根据线切割加工原理在模型上求出刀具线切割加工轨迹，然后直接加工出刀具刀刃廓形。

2 滚刀法向齿形与刀具加工方式

以链轮滚刀的加工为例，滚刀的法向齿形(见图1)应和与链轮共扼的齿条齿形相同。理论上，当链轮的节距及滚子直径相同而齿数不同时，链轮的齿形是不同的，即与链轮共扼的齿条齿形也不相同，因而需用不同的滚刀加工，这将大大增加链轮滚刀的规格，也给链轮滚刀的制造与管理带来诸多不便。因此，我国在实际生产中采用固定链轮基准齿条齿形的方法，即将某一节距、某一滚子直径的链轮齿形规定为一种链轮基准齿条齿形。用具有这种基准齿形的滚刀去加工节距与滚子直径相同而齿数不同的链轮时，虽会产生一定误差，但误差量并不大，在链轮精度要求不高时，该方法具有一定可行性。 6 T1 |; X7 g7 N4 W+ X0 n h# u2 m" U- b& v

图1 38.10×22.23链轮滚刀法向齿形

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上述链轮基准齿条齿形反映在链轮滚刀上即为滚刀的法向齿形。查设计手册可知，根据节距t及滚子外径d的不同，链轮滚刀共有10种规格，与此相对应，链轮滚刀的法向齿形也只有10种，每种滚刀法向齿形的具体尺寸也已确定。 6 R( @; l/ n1 ^' ]

图2为加工链轮滚刀用刀具的线切割加工示意图。图2a表示采用正弦规等装夹具将刀体按一定前后角度装夹，刀具线切割加工轨迹为滚刀轴向齿形在刀具后刀面垂直面(图中水平面)上的投影；图2b表示采用钥丝倾斜方式加工刀具的后刀面，可直接采用滚刀轴向齿形作为线切割加工轨迹。
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(a)	(b)
图2 刀具线切割加工示意图

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3 刀具三维造型与线切割加工轨迹的确定

过去我们主要采用AutoCAD等软件对产品进行三维造型设计，现在则可采用现代三维造型与加工软件(如Solid Edge、Solid Works、UG、Pro/E等)进行产品造型操作。现以Solid Edge软件为例，对加工链轮滚刀用车铲刀(适用于图2a加工方式)进行三维实体造型。作为新一代的三维CAD软件，Solid Edge具有强大的三维设计能力，包括建立曲面、相关零件族(旋转、扫描、放样、螺旋等)、除料、填料、孔特征、薄壳、圆角及阵列等。利用Solid Edge基于参数及特征的设计技术，可通过绘制工件轮廓而生成实体，然后通过对该实体进行投影、扫描、放样、旋转等操作而形成三维实体。

1. 造型设计原理 1 [9 \8 ^, ]# |! f7 C& O0 c' \5 {
   首先建立一个刀具模型基本体，该基本体应包含刀具的轴向平面、后刀面、可反映线切割加工轨迹的垂直于后刀面的平面，并将其置于模型底部水平位置；作一辅助面，使其与轴向平面的夹角等于滚刀分度圆上的螺旋升角，此辅助面即为滚刀法向平面(见图3) ；在滚刀法向平面上按滚刀法向齿形的具体结构尺寸画出草图，再垂直于草图平面在刀具模型基本体上切割出齿条齿形，此齿条齿形与轴向平面的交线即为滚刀轴向齿形；将轴向齿形向刀具模型基本体底面进行投影即可得到刀具线切割加工轨迹，以此投影为草图对刀具模型基本体进行切割，即可得到刀具的最终三维造型。
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2. 具体操作步骤 / V/ `, b% x5 B
   1. 打开Solid Edge，新建一个零件文件，点取“拉伸”特征图标并在作图窗口选取参考平面2，按图3所示设计原理确定刀具拉伸轮廓的形状、大小、拉伸方向及拉伸高度后，单击“完成”即可建立一个刀具造型基本体。
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      图3 加工链轮滚刀用车铲刀的三维造型设计框架

      图4 刀具法向齿形与轴向齿形的转换

      图5 刀具的三维造型

   2. 作一与刀具造型基本体上部轴向平面夹角为l_f的辅助参考平面4，单击“草图”图标在平面4上作出滚刀法向齿形草图1，在草图1上确定滚刀法向齿形各部分的圆心位置及定位基准．并标注出各部分尺寸；再次单击“草图”图标在平面4上作出滚刀法向齿形草图2，在草图2上绘出滚刀法向齿形轮廓并标注尺寸(草图各部分尺寸在四川省机械工业局编的《复杂刀具设计手册(下册)》(机械工业出版社1979出版)第779 页中有明确规定)。
   3. 单击“除料”图标，通过从草图中选取轮廓的方式选中所作的法向齿形草图2，再选取“全部贯通”方式及贯通方向，单击“完成”即可在原刀具造型基本体上切出链轮基准齿条样(见图4) ，刀具造型基本体轴向平面上的轮廓形状即为刀具的轴向齿形。 " s' Y9 z8 s9 V8 i: y
   4. 单击“草图”图标在轴向平面上作出草图3, 进人绘制草图轮廓状态时，点取“包含”图标将刀具轴向齿形曲线复制到轴向平面上；再在“特征路径查找器”上对步骤c中的基准齿条齿形除料操作进行“抑制”。 6 F1 r7 K+ T: p. n2 U2 k
   5. 以刀具底平面为作图平面绘制草图4，进入绘制草图轮廓状态后，通过“包含”方式将刀具轴向齿形曲线复制到作图平面上；再单击“除料”图标，以草图4为草图轮廓，确定除料方向，并采用“全部贯通”除料方式除料，即可最终完成一把加工链轮滚刀用车铲刀的三维造型(见图5 ) ；保存完成的造型。 9 X$ G2 ^) W( q' ~3 p N( X
   6. 利用Solid Edge的工程图模块新建一工程图(.dft文件)，将已完成的刀具三维造型从文件中调入；选择零件主视图方向时，只需表达出刀具线切割加工轨迹即可，可以不用零件其它各向视图，确定视图比例后即可在图中自动完成零件的视图转换，并绘出刀具的线切割加工轨迹。将此工程图以线切割系统能够接受的格式保存并输入线切割加工系统。
   在对刀具刃形进行线切割加工前，应预先加工好刀具上其它各部分尺寸，按设计要求对刀具进行热处理并磨削好刀具上各个表面，然后将刀体装夹好。在选定机床加工原点并拾取线切割加工轨迹后即可对刀具刃形进行线切割加工，加工完毕后再切割出刀具前角。 $ ^$ U5 L1 ~! c: X3 T/ P3 r
   当被加工链轮滚刀的规格发生变化时，只需根据刀具的具体结构尺寸对刀具三维造型各部分的相应尺寸进行修改即可，基于参数、特征的设计技术使Solid Edge可以准确、方便地重新设计出刀具的三维造型。

4 结语

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利用上述Solid Edge三维造型设计方法，我们已设计出多把链轮滚刀加工刀具的三维造型模型，并根据求出的刀具线切割加工轨迹成功加工出了链轮滚刀加工刀具，取得了较好的实际应用效果。利用Solid Edge三维实体造型技术精确求解链轮滚刀加工刀具廓形和刀具线切割加工轨迹的方法在设计、制造其它复杂刀具时也具有重要的参考价值。

随着三维参数化造型设计技术和CAD/CAM集成技术的不断发展，复杂刀具的设计与制造将会变得越来越快捷、简便，生产效率也将不断提高。