外圆加工仿真在机械制造基础教学中的应用研究

摘要：针对机械制造基础课程中外圆表面加工方法进行三维仿真分析研究。探讨外圆表面加工方法的特点，给出三爪卡盘装夹条件下车削外圆的仿真方法，磨削阶梯轴外圆表面仿真方法和镗削支架外圆表面的仿真方法，分析外圆加工方法三维仿真的效果，得出外圆加工仿真可使外圆加工原理及特点简单化、直观化的结论。

关键词：机械制造基础；外圆加工；三维仿真；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）01-0158-02

随着现代化教学手段的不断运用，三维仿真技术在教学过程中的应用效果日益明显。机械制造基础作为工科院校的一门专业基础课程，承担着学生从基础向专业学习过渡的重要任务[1，2]。然而，由于机械制造方法及制造工艺过程理论实践性强的特点，如何将枯燥抽象的加工、制造理论生动真实的展现出来已成为教学过程中需要解决的重要问题，外圆加工方法作为机械制造基础课程中的基本知识，便成为需要生动展现的重要对象。鉴于三维仿真技术具有直观性、生动性等优点，本文运用三维仿真软件[3]，研究车削、磨削、镗削外圆加工方法的三维建模及加工过程动态仿真的实现方法，力求提高机械制造基础课程的课堂教学效果。

一、机械制造基础课程中外圆加工方法的特点

外圆加工方法是机械制造基础课程中最基本的加工理论[1]，只有让学生充分理解并掌握该部分内容，才能使学生更有效地理解各类表面加工方案和零件加工工艺过程部分的理论知识。但是在教学过程中，如果仅仅凭借二维图形和语言描述，很难形象展现各种加工过程中零件、刀具、夹具的运动状态及各加工方法的优越之处。例如，车削适合加工回转体外圆面，而对于那些大型的不便回转的支架或箱体类零件，外圆表面的加工可利用镗床镗削，但是镗削非常适合加工不可回转零件上的孔及孔系，一般镗刀是绕刀杆轴线旋转。加工外圆时镗刀杆则需要安装到平旋盘上，以保证镗刀有较大的回转空间[1]。并且为避免镗刀杆刚性不足，镗削不适合加工过长的外圆表面。这些理论若仅凭二维图形表示自然会烦琐抽象，语言叙述更枯燥乏味，如果能展示零件的立体结构，并辅助以零件移动的同时平旋盘与刀具如何旋转，加工时零件外圆表面如何变化的动态过程演示，则会很方便地让学生理解上述问题，并给学生以深刻印象，起到事半功倍的作用。

二、零件外圆加工的三维动态仿真分析

1.外圆加工仿真的实现方法。为了在课堂上展示外圆加工的三维动态过程，利用SolidWorks2013三维仿真软件，进行车削、磨削、镗削加工零件外圆表面的三维动态仿真样机。

利用三爪卡盘装夹加工回转体零件外圆柱面是最常见的外圆车削方法，为展现车削过程中刀具、工件运动的最基本原理，建立车床主轴箱、三爪卡盘、车刀、阶梯轴零件的三维模型，并建立三爪卡盘装夹阶梯轴的装配模型。插入主轴箱，使其固定，再插入三爪卡盘，阶梯轴零件和车刀，添加配合约束，以限定卡盘除绕轴线旋转外的5个自由度和阶梯轴的6个自由度。添加车刀与阶梯轴的配合，保证车刀刀杆垂直与卡盘及阶梯轴零件回转轴线、刀尖与轴线等高，选择拉伸切除命令，绘制断面草图，以实现刀具纵向进给，获得车削阶梯轴外圆仿真动画如图1所示。

外圆磨削是常见的外圆表面精加工方法，为了展现磨削外圆的原理，首先建立砂轮装配体、阶梯轴零件三维模型。为了模拟磨削外圆的真实场景，新建装配体文件，首先插入砂轮装配体模型，使其固定，然后插入阶梯轴零件，添加配合确定砂轮轴与磨床头架及阶梯轴中心线间的位置；为实现砂轮对阶梯轴最大外圆的磨削动作，添加砂轮右侧表面与轴肩左端面距离为0mm，并选择装配体特征菜单的拉伸切除命令，绘制横断面草图，选择阶梯轴为切除对象，更改砂轮装配体状态为浮动，在阶梯轴外圆上添加旋转马达，在砂轮上添加反向马达，选择砂轮与阶梯轴轴肩的距离配合，输入距离值，生成仿真动画如图2所示。

镗削是镗刀旋转作主运动，零件或镗刀作进给运动的切削加工方法。为展现镗削外圆与车削外圆的不同，建立支架三维模型及平旋盘和镗刀模型。为实现镗削加工，建立装配体模型，插入平旋盘及镗刀装配体，使其固定，再插入支架三维模型，添加配合，保证平旋盘外圆与支架外圆同轴，镗刀前端面与支架外圆端面距离，利用拉伸切除命令设置切除外圆直径和长度，更改平旋盘及镗刀状态为浮动，为实现动态过程仿真，并在平旋盘外圆面处添加旋转马达，为展现切削时支架沿平旋盘轴线移动，在支架右侧放置键码并设置拉伸切除距离值，获得仿真动画如图3所示。

2.外圆仿真效果的对比分析。从上述动态仿真可很容易地分析出：（1）车削、磨削、镗削三种外圆方法工作原理不同，车削外圆柱面时，被加工零件旋转，车刀沿着零件回转轴线移动；而磨削外圆是磨具与被加工零件相对旋转的同时，零件沿轴线移动；镗削加工则是镗刀旋转，工件沿着镗刀回转轴线移动。（2）车削和镗削外圆都是利用一把金属切削刀具，切削时已加工表面随刀刃的移动而增大，而磨削则是砂轮上很多磨粒随着砂轮转动来切除零件上的材料，切削层要薄很多。（3）车削外圆时工件轴线必须与回转中心线重合，为避免重心偏移，零件不能过分复杂，而镗削则只需要工件平移进给，因此更适合加工尺寸较大、结构复杂的不易回转零件。（4）镗削外圆时镗刀杆处于悬臂状态，因此不适合加工长度较大的外圆。由此可见上述仿真可在短时间内使学生很容易的理解车削、镗削、磨削外圆的基本理论，可以使外圆加工原理和特点简单化、直观化。

三、结论

分析了机械制造基础课程中外圆加工理论的特点，利用三维仿真软件SolidWorks2013进行了车削阶梯轴外圆、磨削阶梯轴外圆和镗削大型支架外圆的三维建模和动态仿真方法研究，通过三种外圆加工方法动态仿真结果的对比分析发现，外圆加工三维仿真动画直观的展现了三种加工方法所用刀具及加工原理的不同，生动的显示了外圆加工方法的各自特点，为提高机械制造基础课程教学效果打下了基础。

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]孙健峰，杨洲，王慰祖.机械制造基础课程教学中存在的问题及改革的思考[J].当代教育理论与实践，2016，8（4）：78-80.

[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.

The Application Research of Cylindrical Processing Simulation in Mechanical Manufacture Foundation Teaching

YANG Li-ping，ZHAO Li-hong，HUANG Xue-mei

（Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang 150001，China）

Abstract：The 3D simulation of the cylindrical surface processing methods are analyzed. The characteristics of cylindrical surface processing method are researched. Then，the simulation method of turning cylindrical surface which clamped by a three jaw chuck is given. At last，simulation methods of grinding stepped shaft cylindrical surface and boring stent cylindrical surface are researched. From Analysis of cylindrical surface processing 3D simulation，we can get the conclusion that cylindrical surface processing simulation can not only simplify the cylindrical processing principle，but also improve the vivacity of the cylindrical processing characteristics.

Key words：mechanical manufacture foundation；cylindrical processing；3D simulation；teaching