1 引言

成形车刀具有生产效率高、加工精度稳定、刀具使用寿命长、刃磨方便的特点，因此被广泛用在各种车床和自动生产线上批量加工各种回转体工件的成形表面，零件一致性和经济性良好。

尽管当成形车刀的前角和后角均为零度时车刀廓形和工件廓形完全一致，但成形车刀与其它切削刀具一样，应具有合理的前角和后角才能正常而有效地工作，而合理的刀具前角和后角将造成刀具廓形与工件廓形不同而产生畸变。因此，刀具廓形的修正计算成为成形车刀设计时的重要内容。

成形车刀制造的“反形法”加工法是将与被加工工件形状完全相同的刀具(称为二类成形车刀，即制造成形车刀的成形车刀)按实际加工工件时的相对位置去切削成形车刀。采用这种“反形法”加工成形车刀，勿需进行车刀廓形的修正计算。但因“反形法”加工在应用上受到一定限制，因此在实际生产中已很少采用。随着计算机技术的快速发展，目前，三维CAD已经进入普及应用阶段，因此，利用三维CAD强大的功能，在三维实体环境中用模拟的方法实现上述反形法加工、进而直接得到成形车刀的三维实体模型，再从三维模型得到所需截面的刀具廓形已不再困难。本文介绍一种基于SolidWorks系统的成形车刀设计新方法，该方法利用SolidWorks的特征造型、模拟装配、直接生成关联的工程图等功能实现成形车刀的参数化设计，对于不同的被加工件只需更改车刀的二维廓形以及相应的刀具参数就可以直接得到相应的刀具图纸。

2 SolidWorks的功能特点

SolidWorks是美国Solidworks公司1995年11月研制开发的基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。SolidWorks具有基于特征的参数化实体造型、NURBS复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于约束的装配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DXF、DWG等数据交换及其独有的特征识别器(Feature works)等一系列先进的三维设计功能及工具，将二维绘图与三维造型技术融为一体，为PC机上实现CAD/CAM的集成提供了条件。该软件采用自顶向下或自下向上的设计方法，可动态模拟装配过程，自动生成同实体相关联的工程图纸。Solidworks特征管理器中先进的特征树结构使操作更加直观，其完全的参数化设计和可修改性使应用更加方便。

SolidWorks的主要功能:

基于特征的参数化实体造型
应用SolidWorks的拉伸、切除、旋转、扫描、放样、旋转切除、抽壳、倒角和倒圆等基于特征的三维实体造型工具，能够方便、快捷地创建任意复杂形状且具有参数化特征的实体，通过改变尺寸可以对实体进行编辑。通过在嵌入或插入的Microsoft Excel工作表格式的系列零件设计表(Design Table)中对指定参数简单地改变其尺寸配置，就可以同时完成对一个零件多个尺寸值的修改，从而实现系列零件尺寸驱动设计和编辑，方便地建立零件库。此外，还可以通过使用方程式来定义参数间或尺寸变量间的数学关系。
装配体设计和工程分析
SolidWorks的装配体设计工具能够采用“自顶而下”或是“自底而上”的方法创建和管理包含成百上千个零部件的装配体和子装配体，各零件间可以建立重合、平行、相切、同心、距离、角度、垂直、同向或反向对齐等装配配合关系，可重新组合子装配，并可以对装配体进行封套，还可以将两个或更多的零件连接重组成一个新的零件。
利用SolidWorks的分析工具能进行动态、静态干涉检查，计算质量特征如质心、惯性矩等。利用SolidWorks的装配文档工具能自动开发全参数化的零部件关联材料明细表、创建装配视图及具有指引线的零部件编号。
图纸的全相关性
SolidWorks通过零部件之间、三维零部件与二维图纸之间的关联，可智能连接三维模型和二维图纸，自动生成零部件尺寸、材料明细表(BOM)、具有指引线的零部件编号等技术资料，从而简化工程图纸的生成过程。

3 基于SolidWorks特征造型的成形车刀参数化设计

以工件廓形和尺寸(刀具前角γ_f=10°、后角α_f=12°)来说明基于SolidWorks特征造型的成形车刀参数化设计的实现过程。

3.1 生成零件实体

在SolidWorks中新建零件，选择水平基准面为草图平面绘制轴线和半轮廓，旋转后得到零件的实体。

以端面中P平面为草图平面，按前刀面和工件的相对位置(r₁=10mm处，与水平面夹角γ_f=10°)画直线，以此直线切除上半零件得图4b。

3.2 刀具实体设计

在SolidWorks中新建装配体，将已经完成的零件插入装配体，并将在装配体中插入新零件命名为“刀具”：选择工件截切面为草图平面，用实体引用命令得到此平面上的截形：去掉部分无关的线条，保留切削刃部分的线条并延长附加切削刃，然后在外侧画线形成封闭的图形，此图形即为刀具前刀面的截形。完成后的刀具前刀面截形(燕尾榫未画出，后用切除法实现)。

再以端面P为草图平面，在此草图中画直线以定出刀具后刀面的位置，其长度(尺寸40)可根据设计要求决定。然后以前刀面截形为截面、后刀面位置的直线(直线)为路径，用扫描命令生成刀具实体。

将刀具的底面与后刀面垂直切齐，再用切除命令生成燕尾榫，刀具实体的设计即告完成。刀具的轴侧，渲染。

**表 23段、567段样条曲线控制点的坐标值**
线段	控制点坐标
23段	X=139.57	Y=119.47	Z=0.00
	X=137.74	Y=120.25	Z=0.00
	X=137.11	Y=121.03	Z=0.00
	X=136.75	Y=122.47	Z=0.00
567段	X=142.37	Y=111.97	Z=0.00
	X=141.93	Y=112.73	Z=0.00
	X=141.63	Y=113.55	Z=0.00
	X=141.47	Y=114.41	Z=0.00
	X=141.45	Y=115.29	Z=0.00
	X=141.57	Y=116.17	Z=0.00
	X=141.75	Y=117.03	Z=0.00
	X=142.37	Y=117.97	Z=0.00

3.3 生成刀具工程图

在刀具实体设计完成之后，可以非常方便地利用SolidWorks生成刀具工程图:只需新建工程图，将刀具零件拖进工程图即可。若需要刀具的截形参数，只要在SolidWorks中确定适当的剖面位置即可直接得到所需的剖面图。生成的刀具工程图实例(未注尺寸)，A-A为其法面截形。

3.4 获取刀具法面截形参数

在CAM环境下，可以直接获取刀具法面截形参数，然后利用这些参数编程，在线切割机床上切割出刀具的后刀面。在SolidWorks中获取参数的方法是:将所生成的工程图用Save as命令存成dxf(或dwg)格式，然后再在AutoCAD中打开所存dxf(或dwg)文件，通过定义适当的坐标系，用List查询命令即可获得法面截形中每一线段的参数。

23段和567段线段，在对应的零件图上23段是锥面的素线、567段是圆弧，用传统方法设计成形车刀时也将这两线段分别简化成直线和圆弧，但由此将带来双曲线误差。而应用SolidWorks设计成形车刀时，通过List查询命令得知23段不是直线、567段也不是圆弧，而是样条曲线(即是一种在若干个控制点坐标间进行拟合的曲线)。上表列出了对23段和567段样条曲线控制点坐标的查询结果。读者若按相同方法操作，尽管坐标系和图形位置的不同会得到不同的坐标值，但只要工件和刀具参数一致，其相对坐标值应是相同的。

3.5 成形车刀的参数化设计

由于SolidWorks是基于特征的参数化实体造型软件，可以通过尺寸的改变来对实体进行编辑，因此，只要将以上生成的工件和刀具的装配体文件作为一个样板文件，利用装配图中进行零件设计的功能，在零件的草图平面重新定义零件的廓形生成新的零件实体，再根据新的要求重新定义γf和αf等刀具参数，即可直接得到新的刀具实体。由于Solid-Works的工程图纸是与实体相关联的，得到新的刀具实体后，工程图纸上的廓形和尺寸即会做相应改变，得到新的刀具工程图。如果要想获得截形线段的坐标参数，只需将新的刀具工程图用Save as命令存成dxf或dwg文件在AutoCAD中用List命令进行查询即可。

4 结语

基于SolidWorks可以在三维实体环境中用模拟的方法实现反形法加工，很容易地实现成形车刀的三维实体模型设计，进而得到刀具工程图和廓形参数：SolidWorks是基于特征的参数化实体造型软件，只要建立起一个工件和刀具的装配体文件，在新的设计中即可以其为样本，只需在装配体中进行编辑，改变零件的廓形和刀具的参数，就会得到新的刀具实体、刀具工程图以及刀具廓形参数。因此，SolidWorks是Windows系统下一个方便易学的三维设计软件，应用本文介绍的具体方法，将显著提高成形车刀的设计效率。

文章来源：中国刀具信息网