機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)中立方體零件車削仿真研究

楊立平 劉思嘉 趙立紅 佟永祥哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

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機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)中立方體零件車削仿真研究

楊立平 劉思嘉 趙立紅 佟永祥
哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

摘 要：分析機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)中車削加工重要性，探討車削立方體零件，獲得外圓柱表面、外圓錐表面及內(nèi)孔表面的三維仿真方法。運(yùn)用SolidWorks軟件，建立車刀及車床組件三維模型，車削立方體零件裝配體模型，探討四爪卡盤裝夾時(shí)，立方體工件軸心與回轉(zhuǎn)中心重合及不重合狀態(tài)下，車削外圓柱表面的三維仿真實(shí)現(xiàn)方法；為表現(xiàn)不同表面車削加工原理的異同，探討車削立方體零件外圓錐表面和內(nèi)孔表面的三維仿真實(shí)現(xiàn)方法，為仿真動(dòng)畫在機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)中的推廣打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造基礎(chǔ)；三維仿真技術(shù)；車削；SolidWorks軟件

當(dāng)下信息技術(shù)已經(jīng)深入到人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，對(duì)社會(huì)發(fā)展起到了不可忽視的推動(dòng)作用。作為信息技術(shù)的重要組成部分，三維動(dòng)畫仿真技術(shù)對(duì)高校教學(xué)的促進(jìn)作用也越來越明顯，應(yīng)用也越來越廣泛。

機(jī)械制造基礎(chǔ)是與制造工程實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，其主要任務(wù)是傳授學(xué)生機(jī)械制造過程的基本理論、方法以及基本工藝，使學(xué)生成為具有一定專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)際操作能力的人才[1]。傳統(tǒng)教學(xué)中多是基于書本、實(shí)物模型及教師課堂手工繪圖等方式來幫助學(xué)生理解課堂知識(shí)，而存在的問題是實(shí)物模型簡(jiǎn)單，缺少變化，教師手動(dòng)繪圖直觀性不強(qiáng)，浪費(fèi)時(shí)間。隨著多媒體技術(shù)的普及，近些年，教學(xué)中引入了實(shí)際錄像，但教學(xué)錄像制作成本高，受場(chǎng)地及加工條件限制[2]。

本文基于機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)，結(jié)合機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中非圓柱體零件外圓柱面、外圓錐面和內(nèi)孔表面車削加工理論，研究以透視、動(dòng)畫等方式對(duì)比展示立方體零件車削加工的特點(diǎn)，力求以動(dòng)態(tài)方式展現(xiàn)車削加工原理，淺化抽象理論。

1 機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中車削加工的重要性

雖然隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，毛坯制造精度不斷地提高，精鑄、精鍛、粉末冶金等加工工藝應(yīng)用日漸廣泛，但由于切削加工的適應(yīng)范圍廣，且能達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量，因此在機(jī)械制造業(yè)中依然占有非常重要的地位，也是機(jī)械制造基礎(chǔ)課程最重要的知識(shí)內(nèi)容。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，切削加工又分成多種切削加工方法，最常見的有車削、銑削、刨削等，在諸多切削加工方法中，車削加工最常見[1]。

車削是以工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，車刀作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的切削加工方法[1]。車削加工時(shí)，工件通過卡盤等夾具定位在車床上，并由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因此，車削加工方法可加工各種回轉(zhuǎn)體工件，可以加工外圓面、內(nèi)孔、平面、溝槽等，其加工范圍最為廣泛。

另一方面，無論是軸類零件、盤類零件還是其他不規(guī)則零件，外圓、內(nèi)孔表面都是最重要的組成表面，在零件使用過程中往往起到支撐配合的重要作用，掌握外圓和內(nèi)孔表面的加工原理及加工特點(diǎn)非常重要，而車削加工是外圓和內(nèi)孔表面最常用的加工方法，因此車削加工原理是切削加工的重要理論，是必須掌握的內(nèi)容。

2 車削立方體零件相關(guān)部件的三維建模

車削加工時(shí)，刀具與工件間位置的不同，刀具運(yùn)動(dòng)方式的不同，都會(huì)形成不同的已加工表面。目前，相比圓柱體零件，立方體零件車削加工的實(shí)例并不常見，為了使學(xué)生深入掌握車削加工中不同外形零件加工原理，運(yùn)用SolidWorks軟件[3,4]，進(jìn)行了車刀、四爪卡盤及車床主軸箱等零件的三維建模。

2.1 車床主軸箱模型

為建立車床主軸箱模型，首先新建單一設(shè)計(jì)零件，在上視基準(zhǔn)面上，以原點(diǎn)為中心草繪長(zhǎng)方形并倒圓角，選擇拉伸凸臺(tái)命令，設(shè)置拉伸高度和方向后，建立箱體模型。選擇切除拉伸命令，以箱體側(cè)面為草繪基準(zhǔn)面繪制圓，設(shè)置切除方式為貫通方式。

2.2 四爪卡盤三維建模

車削加工時(shí)，立方體外形的零件一般通過四爪卡盤固定在車床上，為實(shí)現(xiàn)立方體零件加工仿真，設(shè)計(jì)建立四爪卡盤三維模型。首先，新建零件，點(diǎn)擊拉伸凸臺(tái)命令，選擇前視基準(zhǔn)面為草繪平面，拉伸凸臺(tái)，選擇切除拉伸命令，以凸臺(tái)為基準(zhǔn)面繪制圓，設(shè)定切除為貫通方式，獲得通孔。為建立卡盤爪槽三維模型，選擇切除拉伸命令，以上視基準(zhǔn)面為草繪基準(zhǔn)面繪制要切除圖形，選擇鏡像命令，以水平中心線為鏡像點(diǎn)鏡像其余線段，設(shè)定切除方式為貫通方式，獲得卡盤爪槽，選擇圓周陣列命令，設(shè)定陣列數(shù)為4，獲得均勻分布的4個(gè)卡盤爪槽。為獲得卡盤爪三維模型，選擇拉伸凸臺(tái)命令，基于卡盤槽底面為草繪基準(zhǔn)面繪制卡盤爪基座草繪圖形，設(shè)定拉伸長(zhǎng)度，得卡盤爪基座，同理建立卡盤爪三維模型。為獲得4個(gè)均勻分布的4個(gè)卡盤爪，選擇圓周陣列命令，陣列對(duì)象為卡盤爪基座、卡盤爪，獲得四爪卡盤。

2.3 車刀架及車刀三維建模

為實(shí)現(xiàn)車削加工仿真設(shè)計(jì)，建立車刀及刀架三維模型：首先進(jìn)行刀架三維建模。先拉伸凸臺(tái)，在上視基準(zhǔn)面上繪制正方形草圖，設(shè)置兩側(cè)對(duì)稱拉伸；然后選擇切除拉伸命令，在上視基準(zhǔn)面上繪制小正方形草圖，設(shè)置反向切除，形成基座三維模型；再繪制刀架手柄，選擇基座上表面為草繪基準(zhǔn)面，繪制圓，設(shè)置拉伸高度，再次拉伸凸臺(tái)，以此圓臺(tái)上表面為草繪基準(zhǔn)面繪制相對(duì)圓心對(duì)稱的長(zhǎng)方形，反向拉伸后，各面添加圓角，獲得刀架三維模型。其次，繪制右偏刀。選擇拉伸凸臺(tái)命令，以下基座的上表面為草繪基準(zhǔn)面，繪制草繪圖形，為保證刀具與刀架位置關(guān)系，刀桿右側(cè)面與刀架內(nèi)壁重合。最后，繪制鎖緊螺栓。選擇拉伸凸臺(tái)命令，以刀架最上表面為草繪基準(zhǔn)面，繪制圓，并線性陣列，設(shè)定反向拉伸高度，以保證螺栓與刀具接觸，同理根據(jù)外六角螺栓結(jié)構(gòu)尺寸繪制六邊形并線性陣列，設(shè)定正向拉伸高度，獲得右偏刀及刀架三維模型。同理，獲得內(nèi)孔車刀及刀架三維模型。

3 車削立方體零件的三維仿真方法研究

為改善教學(xué)效果，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，基于所建立的三維模型，探討車削加工外圓柱表面，外圓錐表面和內(nèi)孔表面的三維仿真方法。

3.1 車削立方體零件外圓柱面的加工三維仿真

為實(shí)現(xiàn)立方體零件外圓柱面車削加工的三維仿真，首先建立車削加工裝配模型。依次插入主軸箱零件和四爪卡盤，并添加配合，使得卡盤內(nèi)圓面與主軸孔同軸，卡盤后端面與主軸箱前端面重合。插入立方體零件模型，添加配合使得卡盤與零件的右視基準(zhǔn)面、上視基準(zhǔn)面分別重合，同時(shí)使得零件后端面與卡盤前端面重合，以保證卡盤與零件同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，且不產(chǎn)生任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)。插入車刀模型，為保證車刀刀桿垂直與工件軸線，并且車刀刀尖與卡盤回轉(zhuǎn)軸線等高，添加距離配合，使得車刀上表面與主軸箱底距離為280 mm，車刀刀刃與工件前端面距離為0 mm。為保證車刀切削深度，添加距離配合使車刀刀尖距離主軸箱右視基準(zhǔn)面距離為加工外圓半徑。為了實(shí)現(xiàn)刀具縱向進(jìn)給，選擇切除拉伸命令，選擇車刀側(cè)面為草圖繪制基準(zhǔn)面，繪制橫斷面草圖，選后視基準(zhǔn)面繪制兩個(gè)圓，進(jìn)入切除拉伸選項(xiàng)卡，設(shè)定反向切除長(zhǎng)度，調(diào)整給定深度為反向，取消自動(dòng)選擇選項(xiàng)，選擇工件為切除對(duì)象。為了能動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)車削加工的過程，需要使工件隨卡盤高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，車刀能隨時(shí)間的變化不斷地縱向移動(dòng)，因此，進(jìn)行了如下切削外圓的動(dòng)畫仿真。為了實(shí)現(xiàn)切削過程中工件高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)畫仿真，點(diǎn)擊馬達(dá)，選擇主軸卡盤為添加對(duì)象，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度。為了實(shí)現(xiàn)刀具縱向移動(dòng)切削仿真，在運(yùn)動(dòng)算例的配合選項(xiàng)中選取車刀與工件端面距離項(xiàng)，在8 s欄處右擊放置鍵碼，鍵碼放置完成后，雙擊該鍵碼，系統(tǒng)彈出的修改對(duì)話框中修改車刀移動(dòng)長(zhǎng)度尺寸。仿真設(shè)定結(jié)束后，在“視相與相機(jī)視圖”選項(xiàng)處，放置鍵碼，調(diào)整裝配體顯示角度。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫，點(diǎn)擊“計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例”按鈕，獲得仿真動(dòng)畫截圖如圖1所示。從圖中可見，仿真過程中，車刀是平行于工件回轉(zhuǎn)軸線移動(dòng)的，隨著刀具的縱向移動(dòng)，立方體零件不斷地被切削成外圓柱表面。

圖1 車削外圓仿真

3.2 四爪卡盤偏心裝夾時(shí)車削立方體零件外圓的三維仿真

四爪卡盤與三爪卡盤不同。三爪卡盤夾緊時(shí)是三3個(gè)爪聯(lián)動(dòng)的，且自動(dòng)定心。相比之下，四爪卡盤則是每個(gè)爪單獨(dú)移動(dòng)，每個(gè)卡盤爪里，都安裝有一個(gè)絲桿，旋轉(zhuǎn)一個(gè)絲桿，只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)卡盤爪移動(dòng)，但是不能使四個(gè)卡盤爪同時(shí)移動(dòng)來自動(dòng)定心。為了生動(dòng)展示四爪卡盤不自動(dòng)定心帶來的加工問題，特地設(shè)計(jì)了四爪卡盤偏心裝夾情況下立方體零件的車削加工動(dòng)畫仿真。

建立偏心四爪卡盤三維模型時(shí)，為了獲得偏心量，在卡盤面上繪制偏離原點(diǎn)的豎直中心線，及過原點(diǎn)的水平中心線，以交點(diǎn)為圓心，繪制右側(cè)水平卡盤爪草繪圖，同時(shí)以原點(diǎn)為圓心繪制豎直卡盤爪，通過鏡像獲得另兩個(gè)卡盤爪(如圖2所示)。

圖2 偏心四爪卡盤建模

設(shè)計(jì)車削加工裝配模型時(shí)，工件與四爪卡盤的右視基準(zhǔn)面間距離約束值不是0 mm，而是中心線偏離量(如圖3所示)。

圖3 偏心車削裝配設(shè)置

點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)算例進(jìn)行仿真設(shè)定，獲得仿真動(dòng)畫截圖如圖4所示。

圖4 偏心車削加工動(dòng)畫

從圖4中可見，仿真過程中，由于工件回轉(zhuǎn)中心與主軸回轉(zhuǎn)中心偏離，導(dǎo)致立方體工件上有一部分待加工表面不能被切除，這會(huì)直接影響到后續(xù)的精加工質(zhì)量，甚至影響產(chǎn)品的使用性能。

3.3 車削立方體零件外圓錐面的三維仿真

基于車刀及車床組件三維模型，進(jìn)行了外圓錐面加工動(dòng)畫仿真。選取插入菜單中的切除拉伸命令創(chuàng)建裝配體切削動(dòng)畫，定義橫斷面草圖，選車刀側(cè)面為基準(zhǔn)面繪制草圖，繪制兩個(gè)同心圓。在切除拉伸對(duì)話框內(nèi)輸入距離值，并選擇拔模斜度，給出具體數(shù)值，單擊手動(dòng)選擇零件，點(diǎn)選工件外表面。

選擇運(yùn)動(dòng)算例選項(xiàng)，設(shè)計(jì)圓錐面車削仿真，獲得仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，若要實(shí)現(xiàn)外圓錐面加工，車刀進(jìn)給時(shí)不能沿工件回轉(zhuǎn)軸線移動(dòng)，而是要進(jìn)給方向與工件軸線保持一定夾角，可知，仿真動(dòng)畫能很直觀生動(dòng)地展示外圓錐面加工原理。

圖5 外圓錐面加工動(dòng)畫仿真

3.4 車削立方體零件內(nèi)孔的三維仿真

內(nèi)孔是零件的重要組成部分，而內(nèi)孔加工最常用的方法之一就是在車床上鏜孔，但是由車削加工原理的限制，車床上鏜孔存在局限性，車床上不能加工細(xì)長(zhǎng)孔，且只能加工已有孔工件，為了能讓學(xué)生快速地掌握這一原理，進(jìn)行了車床上加工立方體零件內(nèi)孔的三維仿真。

建立內(nèi)孔加工裝配模型。為清晰地展示內(nèi)孔車削過程，立方體零件裝配后編輯零件外觀，設(shè)置零件的透明度，使得內(nèi)孔輪廓清晰可見。為保證內(nèi)孔車刀與工件間的初始位置關(guān)系，車刀上表面與主軸箱底面添加距離約束，車刀刀尖與工件的右視基準(zhǔn)面間添加距離約束，數(shù)值為加工孔的半徑，車刀頂部平面與工件端面添加距離約束，數(shù)值為0 mm。為實(shí)現(xiàn)刀具縱向進(jìn)給時(shí)，工件內(nèi)孔表面不斷地被切除的動(dòng)態(tài)過程，選擇切除拉伸命令，進(jìn)行拉伸切除設(shè)置，步驟與外圓車削相同。為實(shí)現(xiàn)車床上內(nèi)孔加工的動(dòng)畫仿真，點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)算例選項(xiàng)，在四爪卡盤上添加馬達(dá)，點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)算例中車刀與工件端面的距離配合選項(xiàng)，放置鍵碼，設(shè)定要加工的距離長(zhǎng)度，由于孔加工屬于內(nèi)表面加工，不容易產(chǎn)生視覺效果，為了使孔的動(dòng)態(tài)變化更直觀，在“視相與相機(jī)視圖”選項(xiàng)的2秒、4秒、6秒處，分別放置鍵碼，調(diào)整裝配體顯示角度與大小。最后點(diǎn)擊“計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例”，獲得仿真截圖動(dòng)畫如圖6所示。

圖6 內(nèi)孔加工動(dòng)畫仿真

從圖6中可見，車刀從端面沿立方體零件軸線移動(dòng)，刀頭進(jìn)入預(yù)留孔內(nèi)，可知，若工件為實(shí)體零件，則車刀無法進(jìn)入，也無法進(jìn)行切削加工，而且由于刀桿長(zhǎng)度的限制，車刀無法切削比刀桿長(zhǎng)的內(nèi)孔。

4 結(jié)束語

本文研究了機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中立方體零件車削加工外圓及內(nèi)孔表面的三維仿真方法。基于對(duì)機(jī)械制造基礎(chǔ)課程及教學(xué)特點(diǎn)的分析，探討了車削加工在機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)中的重要性，基于車削加工理論研究了車刀及車刀組件三維模型的建立方法，建立了四爪卡盤、車刀架等的三維模型，詳細(xì)探討了四爪卡盤正確裝夾和偏心裝夾情況下車削立方體零件外圓柱表面的三維仿真實(shí)現(xiàn)方法，為充分展示車削加工機(jī)理，深入探討和實(shí)現(xiàn)了車削加工外圓錐表面的三維仿真實(shí)現(xiàn)方法，車床上鏜內(nèi)孔的三維仿真實(shí)現(xiàn)方法，為增強(qiáng)動(dòng)畫展示效果，設(shè)計(jì)零件為透明模型，在動(dòng)畫仿真過程中，隨時(shí)間變化對(duì)工件位置和大小進(jìn)行了實(shí)時(shí)調(diào)整，豐富了機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)

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3D Simulation Research of Turning Cubic Part Methods in Mechanical Manufacture Foundation Teaching

Yang Liping, Liu Sijia, Zhao Lihong, Tong Yongxiang
Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China

Abstract:Having analyzed the importance of turning method, 3D simulation methods of getting cylindrical surface, conical surface and inner surface. Using SolidWorks software, the 3D model of lathe components and lathe tool and the assembly model are built. Clamped by the four-claw Chuck, cutting method for the cylindrical surface of the cubic part are simulated separately, while the cubic part axis coincide or not coincide with the rotation center. Furthermore, 3D simulation for turning the conical surface and inner surface on the cubic part are discussed. This will help the simulation technology apply into the mechanical manufacture foundation teaching.

Key words:mechanical manufacture foundation; 3D simulation technology; turning; SolidWorks

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：JG2012010120)。

作者簡(jiǎn)介：楊立平，博士，講師。

收稿日期：2015-08-20