一種新型刨床刀具的設計和仿真

謝溪凌，王然，汪俊亮，鄭衛剛

(1.武漢理工大學物流工程學院，湖北武漢430063;2.武漢理工大學工程訓練中心，湖北武漢430063)

首先，人們認識到，通過采用高效刀具提高勞動生產率來降低成本，比單純節省刀具費用更加有利。所以，在現代刀具的制造和使用領域， “效率優先”已經代替了傳統的“性能價格比”老概念。其次，近年來生產資料價格的不斷升高，迫使工業制造企業減少加工成本，以保證經濟收益。

普通刨床是用刀桿裝夾刀體進行切削加工的，刀體常用的主要材料為高速工具鋼和硬質合金。高速鋼是綜合性能較好、應用范圍最廣泛的一種刀具材料，俗稱白鋼、鋒鋼、風鋼等。它具有較好的強度、沖擊韌度、工藝性能，可以制造刃形復雜的刀具，如鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀和齒輪刀具等。高速鋼可以加工碳鋼、合金鋼、有色金屬和鑄鐵等多種材料。硬質合金材料的硬度高，耐磨性好，且在800 ～1 000℃的高溫下仍能保持其良好的熱硬性。刨床的刀具就常用此兩種材料作為刀體，一般都是單桿單刃，使用加工效率低，為此，作者將其改成雙桿雙刃刀具進行切削，極大地提高了加工效率。

1 普通刨床刀桿組件缺點

在普通刨床上裝夾刀具非常麻煩費時，特別是批量加工，效率極低。當然，大批量加工可用拉床拉刀加工孔及方槽等形狀。但這種加工批量非常大，一般是專業生產廠家才采用［1］。

刨刀的種類很多，常用的刨刀形狀如圖1所示。由于刨削加工的不連續性，刨刀在切入工件時受到很大的沖擊力，所以刨刀的刀桿橫截面一般較大，以提高刀桿的強度。刨刀的刀桿有直桿和彎桿兩種形式，由于刨刀在受到較大切削力時，刀桿會繞點O 向后彎曲變形。彎桿刨刀變形時，刀尖不會啃入工件，而直桿刨刀的刀尖會啃入工件，造成刀具及加工表面的損壞，所以彎桿刨刀在刨削加工中應用較多。

圖1 刨床刨削加工示意圖

2 刨床雙桿雙刃刀桿組件的設計

雙桿雙刃刨床刀桿組件是在原來刀桿上同時裝上兩把刀具，兩把刀具相互平行且相隔10 mm 左右，同時兩把刀具相對于工件的高度不同，從而實現刨削時刨削深度不同，可以使刨床在一次進程中完成兩次刨削，大大提高了刨床的生產加工效率，如圖2所示。同時，由于受裝夾刀桿的夾具大小限制，不宜將其改為三刃或者多刃，難度較大。

圖2 刨床雙桿雙刃刀桿組件

3 基于SolidWorks 軟件的刀桿組件的仿真

在刀具工作過程中，刀具的切削部分要承受很大的壓力、摩擦、沖擊和很高的溫度。切削力是金屬切削過程中主要的物理現象之一，它直接影響著切削熱的產生、刀具的磨損與耐用度以及已加工表面的質量，有時還會引起振動，甚至破壞刀具和機床零件。而且在設計刀具時，切削力也是必不可少的數據，尤其隨著加工過程自動化的發展，切削力經常作為對切削過程進行自適應控制的一個重要參數。

近年來，CAD/CAE/CAM 在大型復雜機械設備中得到了廣泛應用。SolidWorks 作為新一代CAD/CAE/CAM 軟件，是基于特征的參數化實體造型系統，具有很強的零件設計功能。因此，作者在SolidWorks 中對刀桿組件進行仿真，對刀具進行應力分析，并且進行優化設計，從而達到優良的效果［2］。

通過在SolidWorks Simulation 中對模型定義材料屬性，然后應用夾具并施加外部載荷，最后劃分網格并運行，從而得出模型的應力、應變以及位移分析圖，如圖3、4所示。并通過云圖中的應力、應變以及位移的求解運算結果，得出刀桿組件的應力、位移以及應變的最大值，如表1所示。最后通過與原先模型進行對比，得出刨床雙桿雙刃刀桿組件的強度和剛度滿足設計和使用要求［3］。

圖3 刨床單桿單刃刀桿組件的分析圖

圖4 刨床雙桿雙刃刀桿組件的分析圖

表1 刨床兩種刀桿組件仿真應力、位移以及應變最大值對比表

4 雙桿雙刃刨床刀桿組件的預期前景

刨床的雙桿雙刃刀具的設計通過增加刀刃的方法實現對高效加工的推動，減少了加工成本，提高了經濟效益。當然，該設計中也有不完善的地方，作者將在以后的過程中進一步優化。

5 結束語

作者將刨床刀桿組件由原來的單桿單刃改為雙桿雙刃，在SolidWorks 中建立刀桿組件的數學模型，利用SolidWorks Simulation 對其進行力學分析［4］。通過分析以及和原先的刀桿組件模型進行對比，得出此設計不僅能夠滿足刀具所需的強度和剛度要求［5］，而且能夠大大地提高生產效率，滿足了現在機械生產的需求，符合當今生產發展的趨勢。類似于此種的設計也可以使用在其他機床上。

【1】王松，鄭衛剛.飛雕機床單桿雙刃刀具的制作［J］.機床與液壓，2011，39(4):139－140.

【2】郭課，安林超，季曄.基于SolidWorks 的礦井提升機主軸強度剛度分析［J］.河南機電高等專科學校學報，2010，18(4):10－13.

【3】李啟鵬，劉萬俊，仝崇樓，等.基于SolidWorks 運動仿真的平面八連桿機構優化設計［J］.機械傳動，2009，33(1):63－67.

【4】孫旭.基于SolidWorks 的自卸汽車舉升機構的仿真設計［J］.南通航運職業技術學院學報，2009，8(2):95－98.

【5】郭宏偉，劉榮強，鄧宗全.空間索桿鉸接式伸展臂性能參數分析與設計［J］.北京航空航天大學學報，2008，34(10):1186－1190.