基于SolidWorks仿真设计的刨床双杆双刃刀具

在现代机械加工中，特别是在常规精度的单件或小批量加工中，刨床是不可缺少的加工机床。针对实际加工中存在加工效率低的问题，对刀杆组件进行优化设计，采用增加刀刃的方法，将原来的刨床单杆单刃刀具改为双杆双刃刀具，并利用SolidWorks三维设计软件进行建模仿真，通过在SolidWorks仿真设计中的分析，得出该设计不仅能够满足刀具所需的强度和刚度要求，而且显著提高了刨床的工作效率。

引言

    在现代化制造业加工中，通过采用高效刀具提高劳动生产率来降低成本，比单纯节省刀具费用更加有利。因此，在现代刀具的制造和使用领域，“效率优先”已经代替了传统的“性能价格比”老概念。其次，近年来生产资料价格的不断升高，迫使工业制造企业必须通过减少加工成本，来保证经济收益。

    普通刨床是用刀杆装夹刀体进行切削加工的，刀体常用的主要材料为高速工具钢和硬质合金。高速钢是综合性能较好、应用范围最广泛的一种刀具材料，俗称白钢、锋钢和风钢等。它具有较好的强度、冲击韧度和工艺性能，可以制造刃形复杂的刀具，如：钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。高速钢可以加工碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料。硬质合金材料的硬度高，耐磨性好，且在800～1000℃的高温下仍能保持其良好的热硬性。刨床的刀具就常用此2种材料作为刀体，一般都是单杆单刃，使用加工效率低，因此，将其改成双杆双刃刀具进行切削。

1 普通刨床刀杆组件缺点

    在普通刨床上装夹刀具的方法是把刀体放在刀杆的方槽中，然后用螺栓锁紧刀体，通过松紧螺栓，移动刀体来控制加工余量，通过移动刀体来实现工件的粗加工、半精加工及精加工，如图1所示。每次换刀时松紧螺栓及移动刀体非常麻烦费时，特别是批量加工，效率极低。当然，大批量加工可用拉床拉刀加工孔以及方槽等形状，但这种加工一般加工批量非常大，一般是专业生产厂家才采用。

图1 刨床刨削加工示意图

2 刨床双杆双刃刀杆组件的设计

    双杆双刃刨床刀杆组件是在原来刀杆上同时装上2把刀具，2把刀具相互平行且相隔10mm左右，同时2把刀具相对于工件的高度不同，从而实现刨削时刨削深度不同，可以使刨床在一次进程中完成2次刨削，大大提高了刨床的生产加工效率，如图2所示。同时，由于受装夹刀杆的夹具大小所限制，不宜将其改为三刃或者多刃，难度较大。

图2 刨床双杆双刃刀杆组件nextpage

3 基于SolidWorks软件的刀杆组件仿真

    在刀具工作过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度。切削力是金属切削过程中主要的物理现象之一，它直接影响着切削热的产生、刀具的磨损与耐用度，以及已加工表面的质量，有时还会引起振动，甚至破坏刀具和机床零件。在设计刀具时，切削力也是必不可少的数据，尤其随着加工过程自动化的发展，切削力经常作为对切削过程进行自适应控制的一个重要参数。

    近年来，CAD/CAE/CAM在大型复杂机械设备中得到了广泛应用。SolidWorks作为新一代CAD/CAE/CAM软件是基于特征的参数化实体造型系统，具有很强的零件设计功能。因此，在SolidWorks中对刀杆组件进行仿真，对刀具进行应力分析和优化设计，从而达到优良的效果。

    在SolidWorks中对刀杆组件进行建模，利用SolidWorks Simulation对刀具进行应力分析，并且进行优化设计，然后应用夹具并施加外部载荷，最后加上网格并运行，从而得出刨床单杆单刃刀杆组件和双杆双刃刀杆组件模型的应力、应变以及位移分析图，如图3和图4所示。通过云图中对应力、应变以及位移的求解的运算结果，得出刀杆组件的应力、位移以及应变的最大值表，如表1所示。最后通过与原先模型的分析对比，得出刨床双杆双刃刀杆组件的强度和刚度满足设计及使用要求。

图3 刨床单杆单刃刀杆组件的分析图

图4 刨床双杆双刃刀杆组件的分析图

表1 刨床2种刀杆组件仿真应力、位移以及应变最大值对比表

 

4 双杆双刃刨床刀杆组件的预期前景

    通过增加刀刃的刨床双杆双刃刀具的设计方法，实现了刀具对高效加工的推动，降低了加工成本，提高了经济效益。但是，该设计中也有不完善的地方，将在以后的设计过程中进一步优化。

5 结论

    将刨床刀杆组件由原来的单杆单刃改为双杆双刃，在SolidWorks中建立刀杆组件的数学模型，利用SolidWorks Simulation对其进行力学分析。通过分析以及和原先的刀杆组件模型进行对比，得出此设计不仅能够满足刀具所需的强度和刚度要求，而且大大提高了生产效率，满足了机械生产的需求，符合当今生产发展的趋势。类似于此种的设计也可以在其他机床上使用创新。