基于NX的復(fù)雜曲面零件車削專用刀具設(shè)計(jì)

郎永兵，張洋揚(yáng)

廣州市工貿(mào)技師學(xué)院 廣東廣州 510425

1 序言

在復(fù)雜曲面零件的車削中，使刀具實(shí)體最大化是提高車削刀具與工藝系統(tǒng)剛性的主要措施。圖1所示零件的外輪廓呈異形回轉(zhuǎn)曲面，為防止在加工過程中刀具體與工件發(fā)生干涉，需設(shè)計(jì)專用車削刀具。下面綜合應(yīng)用NX的建模、裝配及仿真模塊，以零件、刀具模型為基礎(chǔ)，模擬車削運(yùn)動(dòng)過程，并通過以零件作為刀具對刀具體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)切割操作，使刀具實(shí)體最大化，完成專用刀具設(shè)計(jì)。

圖1 異形曲面回轉(zhuǎn)零件

2 基本模型裝配建模

車削刀具運(yùn)動(dòng)仿真的裝配模型涉及被加工零件、刀具體等，為使其參數(shù)化，將結(jié)合NX的WAVE幾何鏈接器，在裝配環(huán)境中采用自頂向下的方式設(shè)計(jì)[1]。

在NX中，創(chuàng)建裝配文件，新建并進(jìn)入零件組件，完成異形曲面零件建模。通過分析，此模型最小凹形半徑為3.5mm。根據(jù)車刀刀片規(guī)格，刀具選用φ6mm圓形刀片。設(shè)零件、刀具加工安全間隙為0.5mm，將模型加工輪廓偏移2.5mm，完成刀具車削運(yùn)動(dòng)軌跡曲線繪制，如圖2所示。

圖2 刀具車削運(yùn)動(dòng)軌跡

切換NX至裝配環(huán)境，新建并進(jìn)入刀具組件，選擇WAVE幾何鏈接器，將零件組件中刀具車削運(yùn)動(dòng)軌跡曲線鏈接至當(dāng)前工作部件中。設(shè)刀具本體尺寸為25mm×25mm×80mm，刀片位置為（5mm，7mm），完成刀具本體建模（見圖3）。

圖3 刀具本體建模

3 車削運(yùn)動(dòng)仿真構(gòu)建及刀具體建立

NX運(yùn)動(dòng)模塊是一個(gè)集成的CAE工具，提供了全面的機(jī)構(gòu)建模和分析功能，可以模擬和評估機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。依據(jù)刀具車削運(yùn)動(dòng)軌跡，在NX運(yùn)動(dòng)模塊中設(shè)置干涉檢查機(jī)構(gòu)，通過運(yùn)動(dòng)仿真過程中固定運(yùn)動(dòng)體創(chuàng)建干涉實(shí)體的功能生成干涉實(shí)體，應(yīng)用裝配切割對刀具本體與干涉體進(jìn)行求減運(yùn)算，以及利用刀片安裝部位細(xì)節(jié)處理等方法完成刀具體建立。

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真構(gòu)建

（1）定義運(yùn)動(dòng)體 運(yùn)動(dòng)體是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的剛體，可以是裝配部件或一組實(shí)體、曲線或點(diǎn)等圖素。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)體時(shí)，需定義該運(yùn)動(dòng)體的幾何形狀[2]。

在NX中選擇應(yīng)用模塊→仿真→運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)模塊。選擇主頁→解算方案→新建仿真，建立仿真文件。選擇主頁→機(jī)構(gòu)→運(yùn)動(dòng)體，設(shè)置質(zhì)量屬性選項(xiàng)為“無”，在部件導(dǎo)航器中分別定義零件為運(yùn)動(dòng)體、刀具為固定運(yùn)動(dòng)體[3]。

（2）建立約束 點(diǎn)在線上副可約束運(yùn)動(dòng)體上的一個(gè)點(diǎn)以保持與曲線的接觸。根據(jù)零件車削運(yùn)動(dòng)軌跡，選擇點(diǎn)在線上副建立刀具與工件的約束，具體操作如下。

選擇主頁→約束→點(diǎn)在線上副，指定類型為“剛體曲線”；選擇運(yùn)動(dòng)體為刀具本體，點(diǎn)為刀片圓心；曲線為刀具車削運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，單擊“確定”建立點(diǎn)在線上副約束，如圖4所示。

圖4 建立點(diǎn)在線上副約束

（3）創(chuàng)建驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)體是對機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副或運(yùn)動(dòng)體建立一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)。具體操作如下：選擇主頁→機(jī)構(gòu)→驅(qū)動(dòng)體，指定驅(qū)動(dòng)類型為“運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)”；在約束導(dǎo)航器中選擇點(diǎn)在線上約束；在驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)中選擇多項(xiàng)式，設(shè)速度為20mm/s，單擊“確定”完成運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)建。

（4）設(shè)置干涉 干涉主要比較在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生重疊現(xiàn)象。通過設(shè)置干涉可檢查機(jī)構(gòu)是否與選定的幾何體在運(yùn)動(dòng)的每一步存在碰撞，并以高亮顯示、創(chuàng)建實(shí)體或顯示相交曲線3種形式呈現(xiàn)。其中，創(chuàng)建實(shí)體與顯示相交曲線的干涉檢查是在運(yùn)動(dòng)仿真過程中在固定運(yùn)動(dòng)體上生成干涉實(shí)體或相交曲線。

選擇分析→運(yùn)動(dòng)→干涉，指定類型為“創(chuàng)建實(shí)體”；在部件導(dǎo)航器中選擇第一組為零件、第二組為刀具；設(shè)置模式為精確實(shí)體，單擊“確定”完成干涉設(shè)置。

（5）創(chuàng)建解算方案及仿真動(dòng)畫 仿真模型定義完成后，必須定義運(yùn)動(dòng)分析的解算方案，并通過解算器求解，才能播放或查看每個(gè)時(shí)間點(diǎn)或位置的動(dòng)畫。

選擇主頁→解算方案，指定類型為“動(dòng)態(tài)分析”；在解算方案選項(xiàng)中，選擇工作目錄為仿真文件夾，解算結(jié)束時(shí)間設(shè)置是車削運(yùn)動(dòng)軌跡曲線總長度與驅(qū)動(dòng)速度的商，單擊“確定”完成解算方案創(chuàng)建。在主頁選項(xiàng)卡中單擊“求解”，完成解算方案求解。

NX結(jié)果選項(xiàng)卡中的動(dòng)畫可以較方便地查看仿真運(yùn)動(dòng)情況，選擇“結(jié)果”選項(xiàng)卡，在“動(dòng)畫”中單擊“播放”。

3.2 刀具體建立

（1）創(chuàng)建干涉實(shí)體 分析選項(xiàng)組中的動(dòng)畫是基于時(shí)間的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真，通過設(shè)置封裝選項(xiàng)可對運(yùn)動(dòng)組件進(jìn)行測量、跟蹤和干涉等操作。

選擇分析→運(yùn)動(dòng)→動(dòng)畫，在封裝選項(xiàng)中勾選干涉，單擊“播放”完成干涉實(shí)體創(chuàng)建，如圖5所示。

圖5 干涉實(shí)體生成

（2）刀具體裝配切割及細(xì)節(jié)處理 裝配切割是在裝配環(huán)境下貫穿多個(gè)組件而進(jìn)行的組件之間的求差運(yùn)算。

通過應(yīng)用模塊→建模，切換至建模模塊。選擇菜單→插入→組合→裝配切割，指定目標(biāo)為刀具體，工具為干涉體，單擊“確定”完成刀具體主體部分的建模；對刀片安裝位置進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，完成刀具體設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 刀具體

4 結(jié)束語

本文結(jié)合零件車削加工路線，應(yīng)用NX軟件強(qiáng)大的建模及仿真功能，以零件模型為參考對刀具體進(jìn)行干涉檢查、分析并反求刀具體實(shí)體模型，完成了車削專用刀具的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法在復(fù)雜曲面零件、異形曲面零件的車削加工刀具設(shè)計(jì)方面具備先進(jìn)性，為車削專用刀具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了參考。

該車削專用刀具的設(shè)計(jì)方法已向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請專利，申請?zhí)枺?01210206261.9。