基于NX的复杂曲面零件车削专用刀具设计

郎永兵，张洋扬

广州市工贸技师学院 广东广州 510425

1 序言

在复杂曲面零件的车削中，使刀具实体最大化是提高车削刀具与工艺系统刚性的主要措施。图1所示零件的外轮廓呈异形回转曲面，为防止在加工过程中刀具体与工件发生干涉，需设计专用车削刀具。下面综合应用NX的建模、装配及仿真模块，以零件、刀具模型为基础，模拟车削运动过程，并通过以零件作为刀具对刀具体模型进行运动切割操作，使刀具实体最大化，完成专用刀具设计。

图1 异形曲面回转零件

2 基本模型装配建模

车削刀具运动仿真的装配模型涉及被加工零件、刀具体等，为使其参数化，将结合NX的WAVE几何链接器，在装配环境中采用自顶向下的方式设计[1]。

在NX中，创建装配文件，新建并进入零件组件，完成异形曲面零件建模。通过分析，此模型最小凹形半径为3.5mm。根据车刀刀片规格，刀具选用φ6mm圆形刀片。设零件、刀具加工安全间隙为0.5mm，将模型加工轮廓偏移2.5mm，完成刀具车削运动轨迹曲线绘制，如图2所示。

图2 刀具车削运动轨迹

切换NX至装配环境，新建并进入刀具组件，选择WAVE几何链接器，将零件组件中刀具车削运动轨迹曲线链接至当前工作部件中。设刀具本体尺寸为25mm×25mm×80mm，刀片位置为（5mm，7mm），完成刀具本体建模（见图3）。

图3 刀具本体建模

3 车削运动仿真构建及刀具体建立

NX运动模块是一个集成的CAE工具，提供了全面的机构建模和分析功能，可以模拟和评估机械运动系统。依据刀具车削运动轨迹，在NX运动模块中设置干涉检查机构，通过运动仿真过程中固定运动体创建干涉实体的功能生成干涉实体，应用装配切割对刀具本体与干涉体进行求减运算，以及利用刀片安装部位细节处理等方法完成刀具体建立。

3.1 运动仿真构建

（1）定义运动体 运动体是运动机构中的刚体，可以是装配部件或一组实体、曲线或点等图素。创建运动体时，需定义该运动体的几何形状[2]。

在NX中选择应用模块→仿真→运动，启动运动模块。选择主页→解算方案→新建仿真，建立仿真文件。选择主页→机构→运动体，设置质量属性选项为“无”，在部件导航器中分别定义零件为运动体、刀具为固定运动体[3]。

（2）建立约束 点在线上副可约束运动体上的一个点以保持与曲线的接触。根据零件车削运动轨迹，选择点在线上副建立刀具与工件的约束，具体操作如下。

选择主页→约束→点在线上副，指定类型为“刚体曲线”；选择运动体为刀具本体，点为刀片圆心；曲线为刀具车削运动轨迹曲线，单击“确定”建立点在线上副约束，如图4所示。

图4 建立点在线上副约束

（3）创建驱动 驱动体是对机构中的运动副或运动体建立一个独立的驱动。具体操作如下：选择主页→机构→驱动体，指定驱动类型为“运动副驱动”；在约束导航器中选择点在线上约束；在驱动选项中选择多项式，设速度为20mm/s，单击“确定”完成运动副驱动的创建。

（4）设置干涉 干涉主要比较在机构运动过程中是否发生重叠现象。通过设置干涉可检查机构是否与选定的几何体在运动的每一步存在碰撞，并以高亮显示、创建实体或显示相交曲线3种形式呈现。其中，创建实体与显示相交曲线的干涉检查是在运动仿真过程中在固定运动体上生成干涉实体或相交曲线。

选择分析→运动→干涉，指定类型为“创建实体”；在部件导航器中选择第一组为零件、第二组为刀具；设置模式为精确实体，单击“确定”完成干涉设置。

（5）创建解算方案及仿真动画 仿真模型定义完成后，必须定义运动分析的解算方案，并通过解算器求解，才能播放或查看每个时间点或位置的动画。

选择主页→解算方案，指定类型为“动态分析”；在解算方案选项中，选择工作目录为仿真文件夹，解算结束时间设置是车削运动轨迹曲线总长度与驱动速度的商，单击“确定”完成解算方案创建。在主页选项卡中单击“求解”，完成解算方案求解。

NX结果选项卡中的动画可以较方便地查看仿真运动情况，选择“结果”选项卡，在“动画”中单击“播放”。

3.2 刀具体建立

（1）创建干涉实体 分析选项组中的动画是基于时间的机构动态仿真，通过设置封装选项可对运动组件进行测量、跟踪和干涉等操作。

选择分析→运动→动画，在封装选项中勾选干涉，单击“播放”完成干涉实体创建，如图5所示。

图5 干涉实体生成

（2）刀具体装配切割及细节处理 装配切割是在装配环境下贯穿多个组件而进行的组件之间的求差运算。

通过应用模块→建模，切换至建模模块。选择菜单→插入→组合→装配切割，指定目标为刀具体，工具为干涉体，单击“确定”完成刀具体主体部分的建模；对刀片安装位置进行细节处理，完成刀具体设计，结果如图6所示。

图6 刀具体

4 结束语

本文结合零件车削加工路线，应用NX软件强大的建模及仿真功能，以零件模型为参考对刀具体进行干涉检查、分析并反求刀具体实体模型，完成了车削专用刀具的设计。该设计方法在复杂曲面零件、异形曲面零件的车削加工刀具设计方面具备先进性，为车削专用刀具的创新设计提供了参考。

该车削专用刀具的设计方法已向国家知识产权局申请专利，申请号：201210206261.9。