1 引言

　　成形車刀是一種加工回轉體成形表面的專用工具，它以其加工精度穩定、生產率高、刀具使用壽命長和刃磨簡便等特點廣泛應用于普通車床、六角車床、自動及半自動車床以及生產自動線上。但由于成形車刀前角和后角的原因，刀具截形與工件廓形不同，這給成形車刀的設計和制造帶來很大的困難，使得成形車刀的設計周期長，制造成本高。成形車刀的傳統設計方法有作圖法和計算法，這些傳統方法工作量大、計算復雜而且存在較大的廓形誤差，這些都制約著成形車刀的廣泛使用。

　　CAD/CAM技術的廣泛應用和一系列優秀CAD/CAM軟件的推出，給成形車刀的設計和制造提供了新的途徑。Pro/ENGINEER是一種被廣泛應用的優秀CAD/CAM軟件，特別是其參數化設計方法給設計者帶來了極大的方便，應用它可以大大簡化成形車刀設計和制造。

　　2 成形車刀的實體模型設計

　　應用Pro/ENGINEER可以屏蔽掉成形車刀傳統設計方法中許多繁瑣的步驟，以下以棱體成形車刀為例來說明其設計方法。圖1為被加工零件的廓形圖。

圖1 被加工零件廓形圖

　　2.1 繪制刀具毛坯模型

　　使用建立實體特征命令“Solid→Protrusion→Extrude”命令，以前視圖平面(Front面)為繪圖平面，繪制出成形車刀毛坯縱向截面圖，其中前刀面與水平面夾角等于刀具前角γ(此處取刀具前角γ為15°)，同時使后刀面與垂直方向夾角等于刀具后角α(此處取刀具后角α為10°)，如圖2(a)所示。其余尺寸可根據實際情況確定，刀具毛坯的拉伸長度等于工件的長度。刀具毛坯的三維模型如圖2(b)所示。

(a) (b)

圖2 成形車刀毛坯圖

　　2.2 創建刀具實體模型

　　首先根據被加工零件輪廓得到車刀切削刃曲線。如圖3所示，在水平面內繪制工件截形圖，各尺寸與零件圖尺寸相同，軸線與車刀毛坯上切削刃的距離等于工件最小圓周半徑。使用建立曲面特征命令Surface→Revolve命令，獲得被加工零件輪廓曲面。

圖3 工件截形圖的繪制效果

　　由建立實體特征命令“Solid→Cut→Use Quilt”，用工件輪廓曲面剪切刀具毛坯，這樣在前刀面上就可以得到刀具刃形曲線。

　　由“Datum→Curve→Projected”命令，用投影方式建立曲線特征，選擇切削刃刃形曲線為投影曲線，以刀具毛坯底面為投影面，選擇Along Dir選項，以刀具一條棱線作為投影路徑，把切削刃刃形曲線投影在刀具毛坯的底面上，結果如圖4所示。

圖4 切削刃刃形的形成

　　利用建立實體特征命令“Solid→Cut→Extrude”，選擇刀具底面為繪圖平面，使用Geom Tools→Use Edge命令選取投影曲線為剖切線，剪切掉刀具毛坯的多余部分，由此可以得到棱體成形車刀的三維實體模型。

　　2.3 刀具修形

　　由于在加工零件b-c部分時，刀具的主偏角κr=0°，使得此處刀具后角α=0°，從而導致加工時刀具磨損劇烈，因此需要對此處刀具刃形進行修改。按照通常的方法，可以將上述切削刃曲線向內偏置一個角度，使此處的主偏角略微增大。依舊使用實體特征建立命令Solid→Cut→Extrude，選擇刀具底面為繪圖平面，繪制出修改以后的切削刃曲線，利用它剪切掉多余部分。同樣可以使用這種方法作出成形車刀的燕尾榫部分，成形車刀最終的三維實體模型如圖5所示。

　　                                      圖5 成形車刀的三維實體模型

　　3 成形車刀的截形圖繪制

　　在三維實體模型設計完成以后，就可以利用Pro/ENGINEER的工程圖制作功能完成二維工程圖。Pro/ENGINEER的工程圖和零件圖之間相互關聯，三維零件圖修改之后，二維工程圖會自動更改，這是使用Pro/ENGINEER設計的優點之一。二維工程圖的制作方法可以參看有關書籍，這里不再詳細介紹。在Pro/ENGINEER工程圖標注時系統缺省的尺寸是根據其三維實體得到，為零件的準確尺寸，因此在尺寸標注時應該接受缺省的尺寸值。另外，還可以根據加工精度的需要調整尺寸精度。

　　確定了適當的圖樣和比例之后，選擇需要的視圖進行投影，除此之外還應該做出一個剖面視圖，用以標注尺寸。由于此時切削刃上的f-g曲線為雙曲線(見圖4)，與被加工零件輪廓曲線完全不同，按照通常的方法應該分段標注尺寸。在工程圖中，使用Tools→Use Edge命令選取要標注的曲線，再使用Divide命令把曲線分割成若干段，然后標注出各點的尺寸即可。由于Divide命令是根據弧長分割曲線，這樣使得在曲線曲率大的部分標注點密集而曲率小的部分標注點稀疏，有利于在傳統加工方法中提高成形車刀的加工精度。繪制完成的成形車刀截形圖如圖6所示。

圖6 成形車刀截形圖

　　4 成形車刀廓形的加工

　　棱體成形車刀的廓形通常是通過計算或繪圖得到如圖6所示的截形圖和數據值，然后制作刀具樣板，根據樣板進行切削加工，最后在光學曲線工具磨床上進行精加工的方法成形的。這種加工方法存在許多弊端，而且還受到工廠設備條件的限制。目前CAD/CAM技術的普及和數控線切割機床在工廠的廣泛應用，給成形車刀的加工制造提供了更快捷的方法。使用Pro/ENGINEER完成成形車刀的三位實體造型后，可以直接生成用于數控線切割機床的數控程序，控制機床進行刀具廓形的加工，這樣大大簡化了刀具的制造。Pro/ENGINEER的CAM功能這里就不再贅述了。

　　5 結束語

　　使用Pro/ENGINEER可以簡化成形車刀的設計，減小刀具的雙曲線誤差，提高成形車刀的制造精度，使成形刀具用于零件的精加工成為可能。CAD/CAM技術是制造業的發展方向，隨之產生的許多軟件都為零件的加工和制造帶來了便利。對于以往難以設計和加工的零件，如今完全可以利用新方法和新技術進行設計制造，這樣不僅可以簡化設計方法、縮短設計周期，而且可以提高零件加工精度和企業的生產效率。