棱体成形车刀的计算机辅助设计

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1 引言

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成形车刀是切削加工中常用的加工回转体成形表面专用刀具，其切削刃形状是根据被加工回转体表面廓形设计的。采用成形车刀加工不仅可保证稳定的加工质量，而且生产率高、刀具可重磨次数多、使用寿命长。但传统的成形车刀手工设计方法设计周期长、工作量大、设计精度不高。为缩短设计周期，提高设计精度，我们开发了棱体成形车刀计算机辅助设计系统。
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图1

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2 系统构成及运行环境

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棱体成形车刀CAD系统以AutoCAD R2000为支撑平台，利用Visual C++ 6.0和AutoCAD R2000提供的Object ARX 3.0二次开发工具将应用程序编译成ARX动态链接库，在AutoCAD环境下加载运行。系统界面采用中文交互式操作，且每步操作均有提示。系统采用模块化结构设计，由初始化设置、刀具结构设计、廓形设计、图形生成及尺寸标注、图形输出等功能模块构成(见图1)。 8 W; P6 W) M# w. s4 s

3 棱体成形车刀的CAD 设计方法

成形车刀的前、后角是通过安装形成的。设计时，在系统提示用户选择工件材料后，系统可根据所选材料自动确定成形车刀的前角g_f和后角a_f。 1 t# a, B1 ?* l; V! n/ G' ]0 X' ?" S

1. 刀具结构的设计
   棱体成形车刀的装夹部分采用燕尾结构，这种结构夹固可靠，能承受较大切削力。棱体成形车刀的主要结构参数包括刀体总宽度L_c、刀体高度H、刀体厚度B、燕尾结构尺寸等。 2 U; B+ d" [' n$ }

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   图2

   1. 刀体总宽度L_c : ]( i) P# a- G" j2 f
      成形车刀的刀体总宽度L_c与切削刃总宽度L_cˊ相等，即L_c=l+a+b+c+d。式中各尺寸含义如图2所示。l为工件廓形宽度；a为避免切削刃转角处过尖而附加的切削刃宽度，取a=0.5～3mm；b为考虑工件端面加工和倒角而附加的切削刃宽度，其数值应大于端面精加工余量和倒角宽度。如工件有倒角，则此段的K_r值应等于倒角值，b值应比倒角宽度大1～1.5mm。系统需根据该值来判断工件的最右端面是圆弧还是倒角部分。c为保证后序切断工序顺利进行而设的预切槽切削刃宽度，取c=3～8mm；d为保证切削刃超出工件毛坯表面而设的附加切削刃宽度，取d=0.5～2mm。以上参数在命令行提示的常用范围(单位为mm)内，由用户以AutoCAD命令方式输入。
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   2. 刀体高度H & d3 x( T4 I- j; K/ Z- k9 R
      在成形车刀刀夹结构允许的情况下，刀体高度H值应尽可能取得大一些，这样可增加刀具重磨次数。本系统的推荐值为H=75～100mm，公差为±2mm。该参数可通过人机交互方式输入。
   3. 刀体厚度B
      刀体厚度B的选取应保证刀体具有足够强度，同时还应考虑排屑顺畅、安装方便等因素。此外，B值还与燕尾结构尺寸及工件的最大廓形深度A_max有关，且应满足一定条件。B值由系统根据刀具总宽度自动选取。
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   4. 燕尾结构尺寸 + B5 ]% C# J! H, E% U v
      燕尾结构尺寸应与切削刃总宽度L_c及成形车刀的结构尺寸相适应，同时还与装夹结构尺寸有关。由于燕尾尺寸已标准化，本系统已将有关文献中的燕尾结构尺寸存入数据文件中，以备系统调用。系统可根据刀具总宽度自动选取燕尾结构尺寸。
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2. 刀具廓形的设计 9 h2 K& M8 u; M" {
   回转体类零件廓形一般由圆弧段、直线段及其它非圆曲线段构成。由于各段廓形的修正计算方法各不相同，因此在进行廓形修正计算前首先要区分圆弧段和直线段。
   系统根据用户以人机交互方式输入的各转折点的直径及对应的上、下偏差和轴向距离进行数据处理和廓形计算，并根据预先确定的绘图方向进行坐标点设置。在对圆弧段进行修正计算时，需判断该圆弧是凸圆弧还是凹圆弧、是对称圆弧还是非对称圆弧。
   当工件成形表面为圆弧时，由于前角和后角的存在，与之对应的成形车刀廓形实际上已不是圆弧形。但在圆弧形状精度要求不高时，为简便起见，可仍以圆弧作为刀具廓形，不过其半径将增大，如图3所示。图中1-2-3表示半径为r、中心在O点、廓形深度为a_p的工件圆弧。用计算法可求出刀具廓形深度P及点2'，然后通过1，2'，3作一圆弧，该圆弧即为可替代刀具廓形曲线的近似圆弧，其半径R及中心点O_C的位置可从ΔOA3及ΔO_CA3中求出。
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3. 图形生成及尺寸标注
   1. 图形生成
      在上述设计步骤所获得的数据基础上，系统通过廓形点的转换和成形车刀工作图、样板图的结构尺寸来定义点的坐标并判断工件上径向最小点的方向，从而确定点的坐标和绘图方向。通过调用AutoCAD命令即可生成成形车刀的工作图和样板图。
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      图3

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   2. 尺寸标注
      棱体成形车刀的尺寸可分为形状尺寸和位置尺寸。进行尺寸自动标注时，应注意尺寸的重复标注、漏标及相对位置尺寸的相互干涉等问题。成形车刀样板廓形与成形车刀廓形(包括附加切削刃)完全相同，尺寸标注基准应为刀具廓形的尺寸标注基准。本系统设计了相应的子函数，可对尺寸进行排序和自动标注，并可将已标注尺寸的工作图及样板图以图块(BLOCK)形式保存，以备调用。
4. 图形的输出
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   1. 图幅设置 & N* B" J( Y6 V1 q9 V
      系统可根据成形车刀的尺寸自动选择图幅(也可由用户自行选择图幅大小)，并调用INSERT命令按一定比例将已生成的工作图、样板图图块插入到合适的位置。
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   2. 标题栏填充和技术要求标注 $ w4 T2 Z/ L/ a. s0 f
      系统采用DCL(Dialog Control Language)语言开发了标题栏和技术要求输入对话框。在对话框中填入诸如设计者姓名、材料、比例等信息后，系统即可自动将其填入标题栏中的相应位置，如图4所示。

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图4

4 结语

棱体成形车刀计算机辅助设计系统采用VisualC++ 6. 0对AutoCAD R2000进行了二次开发。用户只需以人机交互方式输入必要的设计数据，即可设计出符合要求的棱体成形车刀，并输出符合国标要求的工程图。该系统的应用可显著提高设计精度和效率，缩短设计周期，降低设计成本，同时输出的数据可方便地转换成数控加工指令，因此具有良好的实用性和推广价值。

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