可转位铣刀结构设计中对I-DEAS软件应用

1 引言

为适应现代加工技术的不断发展，可转位刀具在机械制造业的应用日益广泛，对产品的技术要求也越来越高。现代可转位刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、激光辅助切削等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样化、结构的合理化、外观造型的美观等方面也提出了更高要求。为提高企业的研发技术水平，加快刀具产品的更新换代速度，增强其市场竞争能力，我公司引进了国外先进的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术，并将其应用于可转位刀具产品的设计与制造。

目前，国内企业应用较多的机械CAD软件主要有国外开发的UG-II、Pro/E、Solidwork、I-DEAS等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发（如安装汉字输入字库等），其适用性进一步提高。我公司从美国SDRC公司引进的以SUN工作站（Work Station）为工作平台的I-DEAS Master Series VI-I 是集三维实体造型（3D Solid Modeling）、平面绘图（Drafting）、数控加工（GNC）三大模块于一体、较完整的机械设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。我们在实际应用中，充分利用I-DEAS 软件系统的产品设计和工程分析优势，将其应用于我公司生产的用于加工大型发电机转子的可转位槽铣刀的CAD设计。本文重点介绍I-DEAS软件在刀具三维实体造型、刀片与刀体的组装、将实体造型转换为二维零件图等方面的应用要点。

图1 可转位槽铣刀装配线框图

2 I-DEAS软件在可转位槽铣刀结构设计中的应用

可转位槽铣刀的结构分析
可转位槽铣刀属三面刃粗铣刀，刀体左、右部分均分布有刀片，刀片与刀体之间通过螺钉联接和紧固。为保证加工时有足够的排屑空间，应开有较大的排屑槽。为保证铣刀具有良好的切削性能，刀片与刀体之间应定位精确，并保证在加工过程中不发生干涉。由于可转位槽铣刀的对刀槽、排屑槽、螺钉孔是在加工中心上加工完成，因此其设计过程具有一定难度。应用I-DEAS软件的Solid Modeling模块可较方便地解决这一设计难题。可转位槽铣刀的装配线框图见图1。
设计步骤
通过在工作站上应用I-DEAS软件对可转位槽铣刀进行刀体、刀片、螺钉等元件的实体造型设计、刀体、刀片和螺钉的装配设计、排屑槽设计等，并实现由三维实体造型转换生成二维零件图，验证了I-DEAS 软件具有强大的实体造型功能及二维绘图功能。可转位槽铣刀的设计步骤如下：首先在实体造型（Solid-Modeling）模块中进入Construction Geometry（简称CG），绘出刀体的截面线框，经修改（Modify）后自动生成轮廓曲线（Profile）并进行存储（以备图形丢失后可重新生成）；线型轮廓曲线存储完毕后转入物体模型（Object Modeling），通过对轮廓线进行拉伸（Extrude）或旋转（Revolve）操作生成轮廓实体；对实体进行存储后，建立零件库，在组装模块（AssemblyModeling）中对刀体、刀片和螺钉进行组装；最后启动Drafting Setup中的Drawing-layout模块，将设计结果从三维实体造型转换生成二维零件图或装配图，经过图形整理、标注尺寸、写技术要求等步骤后，便可获得符合加工要求的工程图纸。
三维实体造型要点
在工作站上利用I-DEAS软件设计刀具的思路与传统的刀具设计方法不同，其顺序是首先进行刀具的三维实体造型，然后将得到的三维实体自动转换为二维零件图。在实际设计过程中，还需解决一系列问题，如将刀片与刀体镶嵌在一起进行倒角时，由于倒角线重合而可能导致倒角失败，因此对于存在公共点的棱与棱或棱与角应一次完成倒角，避免对公共点分开重复倒角。对于刀片和刀体的剪切应尽可能一次性完成，且尽量不采用先分块设计再用粘合（Join）命令进行粘接的方式，因为将粘接实体转换为二维图形时图中容易出现错误信息。与手工绘图设计方式相比，I-DEAS软件的三维实体造型模块可将三维实体直接转换为二维零件图，可大大缩短设计时间，提高作图质量，如可转位槽铣刀的排屑槽型由一系列圆弧偏转一定角度并与刀体相切而成，手工绘制难度大、时间长，采用I-DEAS软件则可快速、方便、精确地完成设计图。此外，将刀体、刀片、螺钉装配成刀具实体后，可对其着色渲染，并进行比较验证，直至满意为止，这样可大大加快刀具研制速度，缩短开发周期。
生成二维零件图要点
由于I-DEAS软件自带的图幅标准与我公司的图幅标准不符，因此需对由三维实体造型转换得到的二维零件图改换图幅，改用自建的公司标准图幅（包括图框、标题栏等）；然后还需要对二维零件图作剖分、修改尺寸、标注汉字、添加明细表等工作。生成的图形文件经格式转换后可在绘图机或打印机上绘出。此外，也可不经过三维转换，在Drafting模块中直接用点、线、弧和样条曲线进行二维绘图，并可对图形进行平移、旋转、缩放、映射等多种操作，软件可提供水平、垂直、平行尺寸标注、圆弧尺寸标注、特征标注等多种标注形式，但用Drafting模块直接绘制的图纸比三维转换得到的图纸少一个三维实体图。
在通过三维转换生成二维零件图时，有时会出现二维零件图中缺少几根线的情况，且转过来的图形有时发生断线，且虚线无法消除，只能一点点删除，这可能是软件本身存在问题。此外，在对图形作剖分时，软件给出的剖分面总是横贯整个图形，而不能作局部剖分。在填写明细表、标题栏及技术要求时，由于没有汉字矢量系统的支持，汉字只能用线段或样条线拼凑而成。由于I-DEAS软件无汉字注释功能，零件图上的汉字注释只能通过其它机器读入，十分不便，如能对I-DEAS软件进行二次开发，增加汉字注释功能，则可提高软件的使用便利性。
在图中标注表面粗糙度时，Drafting 模块是先绘出表面粗糙度符号，然后再旋转定位，使用不太方便。为此，在作图时可先绘出具有各种方位的表面粗糙度符号，然后将其调出，拷贝到所需位置上。

图2 可转位刀片的平面图和三维实体图
可转位刀片设计要点
在可转位刀片设计过程中，通过综合运用I-DEAS 软件中Solid Modeling 模块的Object Modeling、Assembly Modeling和Drawing-layout功能，可得到刀片的特殊投影图形。在刀具总体布置过程中，由于某些刀片的空间位置并不规则，且可能随时调整，因此直接使用Drafting 模块绘制这些刀片的平面投影图比较繁琐，为此，可使用Solid Modeling模块对此类刀片进行外轮廓尺寸实体建模，并根据实际需要调整到所需空间及角度，然后用Drawing-layout生成平面投影视图，并将这些平面投影视图应用于相应的刀具总体布局。用I-DEAS软件设计的可转位刀片平面图及三维实体图见图2。

3 结语

可转位刀具的形状及装配关系复杂，排屑槽多为曲面，尺寸大都为投影尺寸，设计工作繁琐，采用传统的手工绘图设计方法效率很低，费时费力，且不易保证设计质量。应用I-DEAS软件的三维实体造型及绘图功能，使可转位刀具的设计变得简单、方便，大大提高了设计效率和设计精度，且易于实现产品的CAD/CAM 一体化开发，不仅缩短了产品开发周期，提高了产品质量，而且在节约原材料、提高产品一次合格率等方面取得了明显成效。

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