摘要：通过对螺旋齿拉刀三维实体造型过程的分析，提出了将特征参数化和草图参数化结合进行三维建模的方法。利用草图功能绘制完整齿槽，并通过布尔运算生成刀具实体，实现了螺旋齿拉刀的三维实体造型。旨在为设计人员寻求简便有效的设计方法和工具提供参考。

　　关键词：螺旋齿拉刀，UG， 三维实体造型，草图曲线

　　1 引言

在螺旋齿拉刀(见图1)设计制造过程中,刀具螺旋槽的齿形直接影响到刀具的排屑、切削性能和刀具强度以及刚度等,设计良好的切削槽齿形可以显著提高刀具的切削性能和使用寿命。UG具有功能强大的三维绘图功能，并具备基于特征和草图的参数化功能，能精确描述任何几何形体，是理想的三维建模工具，UG的“扫描成型法”[1]是实现复杂型面建模的有效途径。由于刀具实体模型本身比较复杂，因而建模的难度往往比较大。本文以形状复杂的螺旋齿拉刀实体建模中难度最大的刀齿部分作为研究重点，介绍了应用该造型方法的主要设计步骤，旨在为设计人员寻求简便有效的设计方法和工具提供参考。2 螺旋齿拉刀几何特征分析

　　螺旋齿拉刀由齿形结构和刀体结构两大部分组成。刀体结构是规则几何体，可利用UG的实体特征进行造型，难点在于齿形结构的造型。这里首先对其齿形结构进行分析,见图1。螺旋齿圆孔拉刀与普通圆孔拉刀的主要区别是其刀齿、容屑槽呈连续的螺旋形结构，属于斜角切削，螺旋齿圆孔拉刀齿形设计中需选择的参数主要有：前角、后角、容屑槽尺寸等。

　　前角是决定螺旋齿拉刀切削效果的重要条件，是按刀具前角的共同规律，即根据被加工材料性质选取的，材料的强度和硬度高时，宜取小前角，反之宜大。另外，拉刀的前角与孔的扩张量有关，前角大时孔的扩张量也大，这是由于前角大切削容易的缘故，一般前角取8 º～10 º，偏差取±2 º[2]。后角是根据被加工工件所需要的精度来决定的，后角过小会增加后刀面与工件的摩擦，同时也会产生金属质点粘结在后刀面上和刀具刃口圆弧上，使工件表面质量变坏。但后角也不能取得太大，否则重磨后，拉刀直径就很快减小，降低拉刀耐用度和总的使用寿命。通常切削部分刀齿后角取2º30′～4º，校准齿后角取Oº30′～1º30′。

　　绘图过程中注意草图中的齿形要与图1有一定的变化，如图2中所示的(a)(b)(c)处人为的加入3段曲线，这样就会使得将来扫描出来的实体多出一块，这个变换主要是为了后面的布尔运算能够顺利完成，如果完全按照原始图形绘制，会在最后的布尔运算阶段出错，其原因是由于会有歧义实体出现。

图2 草图中变化的三段曲线3 齿槽实体造型

　　3.1 生成螺旋线

　　螺旋齿拉刀一般是多头刀具，刀刃采用螺旋形刃线，可在切削过程中可改变切屑流向，使切屑沿螺旋槽流出，起到散热、减小切削阻力、防止切屑划伤已加工表面等作用。同时，刃倾角(螺旋升角)可增大刀具的实际切削前角，提高切削刃的锋利程度。刀刃螺旋线分为等导程螺旋线和等螺旋角(或等螺旋升角)螺旋线。螺旋齿拉刀的刀刃类型，是由圆柱及圆锥体上的螺旋刃组合而成。在圆柱面刀体上等导程螺旋刃线和等螺旋角刃线为同一刀刃曲线，其切削性能是稳定的，当采用圆锥刀体时，若采用等导程螺旋刃线，则等导程螺旋线上的螺旋角发生了显著的变化，沿刀刃方向上的实际前角及刃倾角是变化的，对加工性能产生不良影响，这就是人们开始研究新型刀刃曲线--等螺旋角刀刃曲线的原因[3]。圆柱体上的螺旋线通过UG的“螺旋线”功能很容易实现，UG自动建立其相关表达式。圆锥体上的螺旋线形成过程按以下步骤进行：(1)首先建立合乎刀具直径要求的螺旋线的外径母线(见图3)，这里所做的螺旋线的母线，实质上是用来作为圆锥体上螺旋线的规律曲线的，这一特征限制了生成的螺旋线的外径，相较其他建模软件，UG这一功能匠心独具。

图 3 圆锥体上螺旋线外径母线 (2)再使用螺旋线命令，构建基本螺旋线，这里需要确定两个参数与导程P变量建立联系：1)螺旋线圈数，其中的圈数表示构建的螺旋线实际的圈数见图4，图中的236为拉刀切削部分的长度，236/P即为螺旋拉刀的圈数，其中长度应该选的比实际值要大些这样可以在后面将多余的部分修剪掉;2)螺距：Ug软件里的螺旋线的螺距其实就是导程，旋转方向为顺时针，见图5。 图4 确定螺旋线圈数 图5确定拉刀的螺距3.2 螺旋槽实体的生成

　　首先建立与螺旋线相垂直的平面进行草图的绘制，再由法向齿形绕螺旋线(右旋)扫掠生成齿槽。

1)创建齿槽的基准平面。建立与螺旋线相垂直的平面进行草图的绘制，保证模型构建的准确。首先选择构建基准面的命令，选择其中的Plane on curve 选项，在曲线的端点上确定基准平面，如图6所示。

图6 构建基准面2)绘制螺旋槽的法向截面图。在确定好的基准平面绘制图 2的齿形， 注意在拉刀的截面草图中前角和后角为参数化设计，见图7 。

图7刀齿前角参数化设计 3)生成螺旋槽实体：使用已扫略特征，其中引导曲线选择已经做出的螺旋线;截面曲线选择刚刚绘制的草图，生成螺旋槽实体。因设计的螺旋齿拉刀头数为3，这样做出一个实体后，再重复绘制其他的螺旋槽实体，如图 8所示。图8生成三个螺旋槽实体

4 与基体进行布尔运算：通过命令实体减运算，使拉刀基体与螺旋槽实体相减，完成拉刀的切削部分。

　　5 完成拉刀的其他部分：本步骤就是使用一些UG的普通命令把拉刀其他部分(柄部、颈部、前导部及后导部等)绘制出来，最后与拉刀切削部分进行布尔加运算，如图9所示。

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