机械制造基础课程教学中立方体零件车削仿真研究

杨立平 刘思嘉 赵立红 佟永祥哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001



机械制造基础课程教学中立方体零件车削仿真研究

杨立平 刘思嘉 赵立红 佟永祥
哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001

摘 要：分析机械制造基础课程教学中车削加工重要性，探讨车削立方体零件，获得外圆柱表面、外圆锥表面及内孔表面的三维仿真方法。运用SolidWorks软件，建立车刀及车床组件三维模型，车削立方体零件装配体模型，探讨四爪卡盘装夹时，立方体工件轴心与回转中心重合及不重合状态下，车削外圆柱表面的三维仿真实现方法；为表现不同表面车削加工原理的异同，探讨车削立方体零件外圆锥表面和内孔表面的三维仿真实现方法，为仿真动画在机械制造基础课程教学中的推广打下基础。

关键词：机械制造基础；三维仿真技术；车削；SolidWorks软件

当下信息技术已经深入到人们生产生活的各个方面，对社会发展起到了不可忽视的推动作用。作为信息技术的重要组成部分，三维动画仿真技术对高校教学的促进作用也越来越明显，应用也越来越广泛。

机械制造基础是与制造工程实践紧密结合的课程，其主要任务是传授学生机械制造过程的基本理论、方法以及基本工艺，使学生成为具有一定专业基础理论知识和实际操作能力的人才[1]。传统教学中多是基于书本、实物模型及教师课堂手工绘图等方式来帮助学生理解课堂知识，而存在的问题是实物模型简单，缺少变化，教师手动绘图直观性不强，浪费时间。随着多媒体技术的普及，近些年，教学中引入了实际录像，但教学录像制作成本高，受场地及加工条件限制[2]。

本文基于机械制造基础课程的特点，运用计算机三维仿真技术，结合机械制造基础课程中非圆柱体零件外圆柱面、外圆锥面和内孔表面车削加工理论，研究以透视、动画等方式对比展示立方体零件车削加工的特点，力求以动态方式展现车削加工原理，浅化抽象理论。

1 机械制造基础课程中车削加工的重要性

虽然随着科学技术的发展，毛坯制造精度不断地提高，精铸、精锻、粉末冶金等加工工艺应用日渐广泛，但由于切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和表面质量，因此在机械制造业中依然占有非常重要的地位，也是机械制造基础课程最重要的知识内容。根据运动方式的不同，切削加工又分成多种切削加工方法，最常见的有车削、铣削、刨削等，在诸多切削加工方法中，车削加工最常见[1]。

车削是以工件的旋转运动为主运动，车刀作进给运动的切削加工方法[1]。车削加工时，工件通过卡盘等夹具定位在车床上，并由主轴带动旋转，因此，车削加工方法可加工各种回转体工件，可以加工外圆面、内孔、平面、沟槽等，其加工范围最为广泛。

另一方面，无论是轴类零件、盘类零件还是其他不规则零件，外圆、内孔表面都是最重要的组成表面，在零件使用过程中往往起到支撑配合的重要作用，掌握外圆和内孔表面的加工原理及加工特点非常重要，而车削加工是外圆和内孔表面最常用的加工方法，因此车削加工原理是切削加工的重要理论，是必须掌握的内容。

2 车削立方体零件相关部件的三维建模

车削加工时，刀具与工件间位置的不同，刀具运动方式的不同，都会形成不同的已加工表面。目前，相比圆柱体零件，立方体零件车削加工的实例并不常见，为了使学生深入掌握车削加工中不同外形零件加工原理，运用SolidWorks软件[3,4]，进行了车刀、四爪卡盘及车床主轴箱等零件的三维建模。

2.1 车床主轴箱模型

为建立车床主轴箱模型，首先新建单一设计零件，在上视基准面上，以原点为中心草绘长方形并倒圆角，选择拉伸凸台命令，设置拉伸高度和方向后，建立箱体模型。选择切除拉伸命令，以箱体侧面为草绘基准面绘制圆，设置切除方式为贯通方式。

2.2 四爪卡盘三维建模

车削加工时，立方体外形的零件一般通过四爪卡盘固定在车床上，为实现立方体零件加工仿真，设计建立四爪卡盘三维模型。首先，新建零件，点击拉伸凸台命令，选择前视基准面为草绘平面，拉伸凸台，选择切除拉伸命令，以凸台为基准面绘制圆，设定切除为贯通方式，获得通孔。为建立卡盘爪槽三维模型，选择切除拉伸命令，以上视基准面为草绘基准面绘制要切除图形，选择镜像命令，以水平中心线为镜像点镜像其余线段，设定切除方式为贯通方式，获得卡盘爪槽，选择圆周阵列命令，设定阵列数为4，获得均匀分布的4个卡盘爪槽。为获得卡盘爪三维模型，选择拉伸凸台命令，基于卡盘槽底面为草绘基准面绘制卡盘爪基座草绘图形，设定拉伸长度，得卡盘爪基座，同理建立卡盘爪三维模型。为获得4个均匀分布的4个卡盘爪，选择圆周阵列命令，阵列对象为卡盘爪基座、卡盘爪，获得四爪卡盘。

2.3 车刀架及车刀三维建模

为实现车削加工仿真设计，建立车刀及刀架三维模型：首先进行刀架三维建模。先拉伸凸台，在上视基准面上绘制正方形草图，设置两侧对称拉伸；然后选择切除拉伸命令，在上视基准面上绘制小正方形草图，设置反向切除，形成基座三维模型；再绘制刀架手柄，选择基座上表面为草绘基准面，绘制圆，设置拉伸高度，再次拉伸凸台，以此圆台上表面为草绘基准面绘制相对圆心对称的长方形，反向拉伸后，各面添加圆角，获得刀架三维模型。其次，绘制右偏刀。选择拉伸凸台命令，以下基座的上表面为草绘基准面，绘制草绘图形，为保证刀具与刀架位置关系，刀杆右侧面与刀架内壁重合。最后，绘制锁紧螺栓。选择拉伸凸台命令，以刀架最上表面为草绘基准面，绘制圆，并线性阵列，设定反向拉伸高度，以保证螺栓与刀具接触，同理根据外六角螺栓结构尺寸绘制六边形并线性阵列，设定正向拉伸高度，获得右偏刀及刀架三维模型。同理，获得内孔车刀及刀架三维模型。

3 车削立方体零件的三维仿真方法研究

为改善教学效果，提高课堂教学质量，基于所建立的三维模型，探讨车削加工外圆柱表面，外圆锥表面和内孔表面的三维仿真方法。

3.1 车削立方体零件外圆柱面的加工三维仿真

为实现立方体零件外圆柱面车削加工的三维仿真，首先建立车削加工装配模型。依次插入主轴箱零件和四爪卡盘，并添加配合，使得卡盘内圆面与主轴孔同轴，卡盘后端面与主轴箱前端面重合。插入立方体零件模型，添加配合使得卡盘与零件的右视基准面、上视基准面分别重合，同时使得零件后端面与卡盘前端面重合，以保证卡盘与零件同时转动，且不产生任何相对运动。插入车刀模型，为保证车刀刀杆垂直与工件轴线，并且车刀刀尖与卡盘回转轴线等高，添加距离配合，使得车刀上表面与主轴箱底距离为280 mm，车刀刀刃与工件前端面距离为0 mm。为保证车刀切削深度，添加距离配合使车刀刀尖距离主轴箱右视基准面距离为加工外圆半径。为了实现刀具纵向进给，选择切除拉伸命令，选择车刀侧面为草图绘制基准面，绘制横断面草图，选后视基准面绘制两个圆，进入切除拉伸选项卡，设定反向切除长度，调整给定深度为反向，取消自动选择选项，选择工件为切除对象。为了能动态的展现车削加工的过程，需要使工件随卡盘高速旋转的同时，车刀能随时间的变化不断地纵向移动，因此，进行了如下切削外圆的动画仿真。为了实现切削过程中工件高速旋转的动画仿真，点击马达，选择主轴卡盘为添加对象，设定旋转速度。为了实现刀具纵向移动切削仿真，在运动算例的配合选项中选取车刀与工件端面距离项，在8 s栏处右击放置键码，键码放置完成后，双击该键码，系统弹出的修改对话框中修改车刀移动长度尺寸。仿真设定结束后，在“视相与相机视图”选项处，放置键码，调整装配体显示角度。为实现动画，点击“计算运动算例”按钮，获得仿真动画截图如图1所示。从图中可见，仿真过程中，车刀是平行于工件回转轴线移动的，随着刀具的纵向移动，立方体零件不断地被切削成外圆柱表面。

图1 车削外圆仿真

3.2 四爪卡盘偏心装夹时车削立方体零件外圆的三维仿真

四爪卡盘与三爪卡盘不同。三爪卡盘夹紧时是三3个爪联动的，且自动定心。相比之下，四爪卡盘则是每个爪单独移动，每个卡盘爪里，都安装有一个丝杆，旋转一个丝杆，只能实现一个卡盘爪移动，但是不能使四个卡盘爪同时移动来自动定心。为了生动展示四爪卡盘不自动定心带来的加工问题，特地设计了四爪卡盘偏心装夹情况下立方体零件的车削加工动画仿真。

建立偏心四爪卡盘三维模型时，为了获得偏心量，在卡盘面上绘制偏离原点的竖直中心线，及过原点的水平中心线，以交点为圆心，绘制右侧水平卡盘爪草绘图，同时以原点为圆心绘制竖直卡盘爪，通过镜像获得另两个卡盘爪(如图2所示)。

图2 偏心四爪卡盘建模

设计车削加工装配模型时，工件与四爪卡盘的右视基准面间距离约束值不是0 mm，而是中心线偏离量(如图3所示)。

图3 偏心车削装配设置

点击运动算例进行仿真设定，获得仿真动画截图如图4所示。

图4 偏心车削加工动画

从图4中可见，仿真过程中，由于工件回转中心与主轴回转中心偏离，导致立方体工件上有一部分待加工表面不能被切除，这会直接影响到后续的精加工质量，甚至影响产品的使用性能。

3.3 车削立方体零件外圆锥面的三维仿真

基于车刀及车床组件三维模型，进行了外圆锥面加工动画仿真。选取插入菜单中的切除拉伸命令创建装配体切削动画，定义横断面草图，选车刀侧面为基准面绘制草图，绘制两个同心圆。在切除拉伸对话框内输入距离值，并选择拔模斜度，给出具体数值，单击手动选择零件，点选工件外表面。

选择运动算例选项，设计圆锥面车削仿真，获得仿真结果如图5所示。从图5中可以看出，若要实现外圆锥面加工，车刀进给时不能沿工件回转轴线移动，而是要进给方向与工件轴线保持一定夹角，可知，仿真动画能很直观生动地展示外圆锥面加工原理。

图5 外圆锥面加工动画仿真

3.4 车削立方体零件内孔的三维仿真

内孔是零件的重要组成部分，而内孔加工最常用的方法之一就是在车床上镗孔，但是由车削加工原理的限制，车床上镗孔存在局限性，车床上不能加工细长孔，且只能加工已有孔工件，为了能让学生快速地掌握这一原理，进行了车床上加工立方体零件内孔的三维仿真。

建立内孔加工装配模型。为清晰地展示内孔车削过程，立方体零件装配后编辑零件外观，设置零件的透明度，使得内孔轮廓清晰可见。为保证内孔车刀与工件间的初始位置关系，车刀上表面与主轴箱底面添加距离约束，车刀刀尖与工件的右视基准面间添加距离约束，数值为加工孔的半径，车刀顶部平面与工件端面添加距离约束，数值为0 mm。为实现刀具纵向进给时，工件内孔表面不断地被切除的动态过程，选择切除拉伸命令，进行拉伸切除设置，步骤与外圆车削相同。为实现车床上内孔加工的动画仿真，点击运动算例选项，在四爪卡盘上添加马达，点击运动算例中车刀与工件端面的距离配合选项，放置键码，设定要加工的距离长度，由于孔加工属于内表面加工，不容易产生视觉效果，为了使孔的动态变化更直观，在“视相与相机视图”选项的2秒、4秒、6秒处，分别放置键码，调整装配体显示角度与大小。最后点击“计算运动算例”，获得仿真截图动画如图6所示。

图6 内孔加工动画仿真

从图6中可见，车刀从端面沿立方体零件轴线移动，刀头进入预留孔内，可知，若工件为实体零件，则车刀无法进入，也无法进行切削加工，而且由于刀杆长度的限制，车刀无法切削比刀杆长的内孔。

4 结束语

本文研究了机械制造基础课程中立方体零件车削加工外圆及内孔表面的三维仿真方法。基于对机械制造基础课程及教学特点的分析，探讨了车削加工在机械制造基础课程教学中的重要性，基于车削加工理论研究了车刀及车刀组件三维模型的建立方法，建立了四爪卡盘、车刀架等的三维模型，详细探讨了四爪卡盘正确装夹和偏心装夹情况下车削立方体零件外圆柱表面的三维仿真实现方法，为充分展示车削加工机理，深入探讨和实现了车削加工外圆锥表面的三维仿真实现方法，车床上镗内孔的三维仿真实现方法，为增强动画展示效果，设计零件为透明模型，在动画仿真过程中，随时间变化对工件位置和大小进行了实时调整，丰富了机械制造基础课程教学方法。

参考文献

[1] 任正义.机械制造工艺基础[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 杨立平,赵立红,佟永祥,韩永杰,吴滨.机械制造基础课程中多媒体与板书教学方式研究[J].中国现代教育装备,2013(21):29-31.

[3] 北京兆迪科技有限公司.SolidWorks2013实例宝典[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[4] 邢启恩. SolidWorks三维设计一点通[M].北京:化学工业出版社,2011.

3D Simulation Research of Turning Cubic Part Methods in Mechanical Manufacture Foundation Teaching

Yang Liping, Liu Sijia, Zhao Lihong, Tong Yongxiang
Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China

Abstract:Having analyzed the importance of turning method, 3D simulation methods of getting cylindrical surface, conical surface and inner surface. Using SolidWorks software, the 3D model of lathe components and lathe tool and the assembly model are built. Clamped by the four-claw Chuck, cutting method for the cylindrical surface of the cubic part are simulated separately, while the cubic part axis coincide or not coincide with the rotation center. Furthermore, 3D simulation for turning the conical surface and inner surface on the cubic part are discussed. This will help the simulation technology apply into the mechanical manufacture foundation teaching.

Key words:mechanical manufacture foundation; 3D simulation technology; turning; SolidWorks

基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目(编号：JG2012010120)。

作者简介：杨立平，博士，讲师。

收稿日期：2015-08-20