基于SolidWorks的M24丝锥实体造型

 引言
    丝锥是一种常用的切削刀具。许多中小尺寸螺纹孔的粗精加工都离不开它。实际生产中，丝锥的耐用度比较低，为了使用有限元方法探索提高其耐用度的途径，必须建立精确的丝锥模型。但因其切削角度较多，螺旋线生成复杂，Autocad等普通软件无法实现，丝锥规格较多时，每一种规格都要重新绘制，效率低下。SolidWorks实体设计软件具有独特的实体扫描、放样功能，能够实现复杂零件的智能化设计。利用其"尺寸驱动"的强大特点，只需在某一型号基础上，通过相关参数的更改就可以快速形成新的零件，实体设计效率大为提高。
    1  SolidWorks软件特点
    该软件是美国SolidWorks公司的产品，相对于二维CAD软件来说，有许多优点。其中之一就是它能真正体现出设计者的设计意图，摆脱了二维CAD软件纯粹绘图的作用，是目前机械设计的发展方向[1]。在SolidWorks中，无论是草图、特征或者装配中的尺寸，都是"驱动"的作用，是所标注对象的几何数据库的内容，而不是对所标注对象的"注释"。而且驱动尺寸始终与标注对象关联[2]。
    SolidWorks有很强的三维造型功能。它利用拉伸、旋转、扫描、放样和加厚度等特征造型技术生成形体[3]；通过系列零件设计表，可实现系列零件设计；通过三维和二维设计之间的"全相关"设计特点，可自动生成已有零件和部件的工程视图。使得设计人员可以更加专注于"构思和设计"。
    2  M24丝锥实体造型过程
    2.1 M24丝锥结构分析及实体造型构思
    由于丝锥切削部分主要由螺旋切削刃构成。为了排屑方便，同时形成适宜的切削角度--前角，通过在轴向均匀分布的圆弧槽构成容屑槽，同时产生前角。因此该刀具的切削刃是断续的螺旋线。切削刃后部是圆柱形柄部。为了加工时机床或者手动夹持方便，通常具有方头尾部。
    从上述结构特点可见：切削部分的造型是整个造型的难点，必须充分考虑螺旋线和容屑槽的生成过程及顺序。为了降低造型难度，先通过扫描的方式生成螺旋槽，然后在端面上构建容屑槽断面草图，并进行带引导线的放样、圆周阵列，最后生成比较简单的柄部及尾部。
    2.2 M24丝锥造型过程
    首先通过拉伸的方式建立切削部位初始圆柱面。在圆柱面上创建螺旋线草图以及螺纹槽剖面草图，如图1所示。扫描轮廓垂直于扫描路径并且位于扫描路径的起点。据此参数完成切削部螺旋槽，如图2。
         

 

图1  扫描路径及轮廓

             

图2  螺旋槽形成图

 

在已经生成的切削部分的端面上根据容屑槽尺寸建立图3所示草图，并且经"拉伸切除"操作后，得到一条容屑槽。
    

 

图3  丝锥容屑槽的生成

    选择圆柱面的轴心建立基准轴1，对容屑槽进行圆周阵列，得到图4所示切削部位模型。
    

图4  丝锥切削部分

    切削部位完成后，通过进一步的"拉伸"操作建立柄部以及尾部特征，中间穿插完成容屑槽在柄部的自然过渡，该过程采用"放样"特征实现，如图5所示。
    

图5  放样生成柄部容屑槽

    最终完成的丝锥模型如图6所示。
    

 图6  完整丝锥模型

    3  公称直径变化后丝锥模型的创建方法
    上述创建过程是完全按照M24丝锥的各部尺寸创建的，如果有限元分析过程中，需要其他尺寸的丝锥模型，仅需要退回到建模的起点位置设置相关的参数，更改相关草图尺寸以及拉伸、切除、扫描、放样等特征参数值，即可比较容易的满足设计要求。如果为了创建刀具库等标准化、大规模的操作，则可以使用SolidWorks为用户开放的二次开发接口VBA以及参数化设计方法，编制一个简单的程序，在需要某种规格时输入相应的参数即可实现。
    4  结语
    利用SolidWorks软件进行丝锥实体设计，方便快捷。对于外形相似、规格不同的丝锥，可谓"一劳永逸"，对于所有复杂刀具设计、制造行业来说，提供了一种便捷的解决方案；对于实现CAD/CAM/CAE等一体化工程，也提供了可靠的、一致性较强的模型。