蔡祖光

(湖南海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

基于Solid Works真空擠壓成形機(jī)絞刀片的展開(kāi)設(shè)計(jì)(Ⅰ)

蔡祖光

(湖南海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

詳細(xì)介紹了利用Solid Works三維軟件的鈑金特征繪制真空擠壓成形機(jī)絞刀片曲面實(shí)體的方法，并指出利用鈑金特征建模轉(zhuǎn)換成展開(kāi)圖的繪制方法是真空擠壓成形機(jī)絞刀片展開(kāi)設(shè)計(jì)——放樣下料的最佳選擇。

絞刀片 曲面實(shí)體三維圖 展開(kāi)圖 繪制方法

前言

目前，真空擠壓成形機(jī)是劈開(kāi)磚(又叫劈離磚或劈裂磚)、陶土板(陶板)、陶瓷輥棒、陶瓷柱塞、粘土燒結(jié)屋面瓦、粘土燒結(jié)陶管及窰具等制品塑性擠出成形的關(guān)鍵設(shè)備。絞刀(又稱螺旋絞刀或螺旋葉或螺旋)對(duì)陶瓷泥料(以下簡(jiǎn)稱泥料)產(chǎn)生破碎、攪拌、揉練、混合均勻及擠壓緊密等作用，促使其物料分布趨于均勻，結(jié)構(gòu)更加緊密，可塑性得到最大限度地提高，并可擠出成形具有一定形狀尺寸、機(jī)械強(qiáng)度較大、致密度較高、含水率較低及表面平整光潔的坯條。由此可見(jiàn)，絞刀是真空擠壓成形機(jī)的關(guān)鍵零部件，但屬于易損件，在磨損后需及時(shí)更換，否則將影響擠出成形坯體的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力，甚至導(dǎo)致真空擠壓成形機(jī)功率消耗的急劇增大及產(chǎn)量的急劇下降。由于絞刀通常采用普通鑄鋼或耐磨鑄鋼或不銹鋼等熔模鑄造后，再經(jīng)機(jī)械切削加工后制成，其生產(chǎn)周期長(zhǎng)，對(duì)于機(jī)械制造能力較差的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)制造絞刀是非常困難的。為此，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)通常采用加工制造簡(jiǎn)便的板料冷拉成形螺旋絞刀片的設(shè)計(jì)制造方法[1]，其關(guān)鍵就是將螺旋面展開(kāi)成一平面圖形便于放樣下料。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常可將一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)的螺旋面近似地展開(kāi)成一個(gè)帶缺口的環(huán)狀平面圖形[1～2]，傳統(tǒng)的“計(jì)算法”和“作圖法”是螺旋面展開(kāi)的常用方法[1～3]，但具體操作過(guò)程復(fù)雜，工作量大，取點(diǎn)數(shù)越多，展開(kāi)圖形輪廓線的逼真度就越高，即螺旋面展開(kāi)的精度就越高。

Solid Works三維軟件是目前廣泛應(yīng)用的三維實(shí)體機(jī)械設(shè)計(jì)的主要軟件之一，它不僅具有易于操作和簡(jiǎn)單、快捷、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，而且還提供了強(qiáng)大的鈑金件設(shè)計(jì)功能，可以非常逼真地建立鈑金件的三維實(shí)體模型，并以此為基礎(chǔ)模擬鈑金件的折彎和展開(kāi)過(guò)程，快速精確地完成鈑金件的展開(kāi)。現(xiàn)以實(shí)例詳細(xì)介紹Solid Works三維軟件在真空擠壓成形機(jī)絞刀片展開(kāi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 絞刀的類型

絞刀是螺旋絞刀片(俗稱螺旋工作面或螺旋面)和軸轂的結(jié)合體。螺旋絞刀片(簡(jiǎn)稱絞刀螺旋)的展開(kāi)工作面展開(kāi)。絞刀的螺旋工作面是由一直母線沿著作為圓柱螺旋線的曲導(dǎo)線和作為圓柱軸線的直導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)且始終平行于直導(dǎo)線所垂直的平面而形成的曲面。依絞刀結(jié)構(gòu)形式的差異，目前真空擠壓成形機(jī)廣泛應(yīng)用的絞刀通?？蓞^(qū)分為等寬圓柱螺旋絞刀(如：攪泥絞刀和擠泥絞刀)、等寬圓錐螺旋絞刀(如：上下兩層雙軸型真空擠壓成形機(jī)上層攪泥軸末端的錐形螺旋絞刀)、不等寬圓柱螺旋絞刀(如：螺旋推進(jìn)器)和不等寬圓錐螺旋絞刀(如：上下兩層雙軸型真空擠壓成形機(jī)上層攪泥軸末端的錐形螺旋絞刀)4種結(jié)構(gòu)形式。等寬螺旋絞刀顧名思義就是指絞刀葉片在徑向(半徑)方向都相等的絞刀，而不等寬螺旋絞刀就是指絞刀葉片在徑向(半徑)方向都不相等的絞刀，其中不等寬圓錐螺旋絞刀又可分為圓柱軸轂型不等寬圓錐螺旋絞刀和圓錐軸轂型不等寬圓錐螺旋絞刀等結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了便于加工制造及裝配等要求，通常以1個(gè)螺距的等寬圓柱螺旋絞刀作為基礎(chǔ)，然后再由多個(gè)零件(等寬圓柱螺旋絞刀)、錐形螺旋絞刀及螺旋推進(jìn)器共同組成真空擠壓成形機(jī)的攪泥絞刀和擠泥絞刀，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定形狀坯條的擠出成形。

2 螺旋絞刀片的三維繪制及展開(kāi)

螺旋絞刀片是由螺旋軸轂處和螺旋外緣處的螺旋線即內(nèi)外兩條螺旋線及適宜厚度的線段所組成的曲面實(shí)體，據(jù)此我們首先可作出螺旋絞刀片的內(nèi)外兩條螺旋線，再通過(guò)鈑金件的“放樣折彎”設(shè)計(jì)功能即可作出螺旋絞刀片的實(shí)體三維圖。

2.1 等寬圓柱螺旋絞刀

等寬圓柱螺旋絞刀又稱正螺旋面。某真空擠壓成形機(jī)的擠泥螺旋為右旋等寬圓柱螺旋絞刀，其絞刀片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 等寬圓柱螺旋絞刀片的結(jié)構(gòu)示意圖

采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板Q235-A冷拉成形，其主要參數(shù)如下：螺旋軸轂直徑為150 mm，螺旋外緣直徑為450 mm，單線螺旋的螺距為320 mm，絞刀片厚度為20 mm，其三維圖及其展開(kāi)圖的繪制步驟如下：

2.1.1 內(nèi)外螺旋線的繪制

啟動(dòng)電腦，進(jìn)入Solid Works三維軟件的繪圖界面。

1)選擇菜單欄中“文件”/“新建”命令，彈出“新建Solid Works文件”對(duì)話框，雙擊“零件”按鈕后，生成“等寬圓柱螺旋絞刀片”的三維零件文件。

2)任選一個(gè)繪圖基準(zhǔn)面(如前視基準(zhǔn)面)，再選擇“特征”工具欄中“曲線”按鈕下的“螺旋線/渦狀線”，則彈出“草圖1”繪制界面，以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制直徑為150 mm的圓，然后退出“草圖1”，則彈出“螺旋線/渦狀線”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“定義方式(D)”處：選取螺距和圈數(shù)，在“參數(shù)(P)”處：選取恒定螺距(C)，在“螺距(1)”處輸入320 mm，在“圈數(shù)(R)”處輸入1，在“起始角度(S)”處輸入0度，最后選取螺旋線的旋向?yàn)槟鏁r(shí)針(逆時(shí)針旋向的螺旋線為右旋螺旋線，而順時(shí)針旋向的螺旋線為左旋螺旋線)，編輯上述參數(shù)并確定后，即可獲得螺旋軸轂處的螺旋線，即“內(nèi)螺旋線1”。

3)再次選取上述同一繪圖基準(zhǔn)面(如：前視基準(zhǔn)面)，再次選擇“特征”工具欄中“曲線”按鈕下的“螺旋線/渦狀線”，又彈出“草圖2”繪制界面，緊接著還以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制直徑為450 mm的圓，然后退出“草圖2”，則彈出“螺旋線/渦狀線”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“定義方式(D)”處:選取螺距和圈數(shù)，在“參數(shù)(P)”處：選取恒定螺距(C)，在“螺距(1)”處輸入320 mm，在“圈數(shù)(R)”處輸入1，在“起始角度(S)”處輸入0度，同理，最后仍選取螺旋線的旋向?yàn)槟鏁r(shí)針，編輯上述參數(shù)并確定后，同樣可獲得螺旋外緣處的螺旋線，即“外螺旋線1”。

2.1.2 內(nèi)外螺旋線轉(zhuǎn)成“3D草圖”

1)單擊“3D草圖繪制”按鈕，則彈出“3D草圖1”繪制界面，選取“內(nèi)螺旋線1”，單擊“轉(zhuǎn)換實(shí)體”按鈕，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)螺旋線1”轉(zhuǎn)換成“3D草圖1”后，退出“3D草圖1”繪制界面。

圖2 等寬圓柱螺旋絞刀片的三維圖

圖3 展開(kāi)成平板狀態(tài)下的等寬圓柱螺旋絞刀片的三維圖

2)再次單擊“3D草圖繪制”按鈕，彈出“3D草圖2”繪制界面，選取“外螺旋線1”，單擊“轉(zhuǎn)換實(shí)體”按鈕，同樣實(shí)現(xiàn)“外螺旋線1”轉(zhuǎn)換成“3D草圖2”后，退出“3D草圖2”繪制界面。

2.1.3 內(nèi)外螺旋線形成螺旋絞刀片

1)單擊“鈑金特征”工具欄“放樣折彎”按鈕，則彈出“放樣折彎”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“輪轂(P)”處：選取“3D草圖1”及“3D草圖2”，在“厚度”處選取20 mm，確定后形成一個(gè)等寬圓柱螺旋絞刀片并存盤(pán)，如圖2所示。

2)單擊“板金特征”工具欄“平板展開(kāi)”按鈕，等寬圓柱螺旋絞刀片就轉(zhuǎn)換成展開(kāi)成平板狀態(tài)下的三維圖(見(jiàn)圖3)。

2.1.4 展開(kāi)圖

選擇菜單欄中“文件”/“從零件/裝配體制作工程圖”命令，彈出“圖紙格式/大小”對(duì)話框，選擇適宜的“圖紙”并確定后(如圖4所示)，將右下方系列投影圖中下方標(biāo)有“平板型式”的投影圖拖入“工程圖紙”內(nèi)(如圖5所示)，將它另存為DWG文件，并利用AutoCAD軟件對(duì)圖形進(jìn)行編輯后，獲得等寬圓柱螺旋絞刀片的展開(kāi)圖如圖6所示(實(shí)線部分所圍成的圖形)。由此可見(jiàn)，它并不是一個(gè)帶缺口的圓環(huán)形，而是一個(gè)帶缺口的近似圓環(huán)形，這與等寬圓柱螺旋絞刀片即正螺旋面可近似地展開(kāi)成一個(gè)帶缺口的圓環(huán)形的論述是非常吻合的按公式(1)、公式(2)所述的計(jì)算，求得正螺旋面展開(kāi)成一個(gè)帶缺口圓環(huán)的內(nèi)圓直徑：

(1)

(2)

其中：B——螺旋絞刀片的徑向?qū)挾?，mm;

d1——絞刀的軸轂直徑，mm;

d2——絞刀的外緣直徑，mm;

h——單線螺旋的螺距，mm;

π——圓周率，常取3.14。

圖4 展開(kāi)成平板狀態(tài)下的等寬圓柱螺旋絞刀片的投影圖

圖5 將“平板型式”的投影圖拖入“工程圖紙”內(nèi)的示意圖

將B=150 mm，d1=150 mm，d2=150 mm 及h=320 mm代入式(1)計(jì)算,得到：D1=194.2 mm，外圓直徑D2=D1+2B=494.2 mm，α=23.840，并且D1、D2及α值與展開(kāi)圖中假象內(nèi)圓直徑193.9 mm、外圓直徑493.9 mm及缺口夾角23.950是非常接近的)。如果按1∶1的比例將其輸出打印在圖紙上，裁剪后就可獲得該等寬圓柱螺旋絞刀片的放樣模板，據(jù)此進(jìn)行放樣下料，能極大限度地縮短下料等輔助時(shí)間，從而提高工作效率。

圖6 等寬圓柱螺旋絞刀片的展開(kāi)圖

2.2 等寬圓錐螺旋絞刀

某真空擠壓成形機(jī)上層攪泥軸末端的錐形螺旋絞刀為右旋等寬圓錐螺旋絞刀，其絞刀片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板Q235-A冷拉成形。其主要參數(shù)如下：軸轂大端直徑為150 mm；螺旋外緣大端直徑為450 mm；軸轂及螺旋外緣的錐度角都為20°；單線螺旋的螺距為320 mm；絞刀片厚度為20 mm，其三維圖及其展開(kāi)圖的繪制步驟(見(jiàn)圖7)。

2.2.1 內(nèi)外螺旋線的繪制

啟動(dòng)電腦，進(jìn)入SolidWorks三維軟件的繪圖界面。

1)選擇菜單欄中“文件”/“新建”命令，彈出“新建SolidWorks文件”對(duì)話框，雙擊“零件”按鈕后，生成“等寬圓錐螺旋絞刀片”的三維零件文件。

2)任選一繪圖基準(zhǔn)面(如：前視基準(zhǔn)面)，再選擇“特征”工具欄中“曲線”按鈕下的“螺旋線/渦狀線”，則彈出“草圖1”繪制界面，緊接著以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制直徑為150 mm的圓，然后退出“草圖1”，則彈出“螺旋線/渦狀線”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“定義方式(D)”處：

圖7 等寬圓錐螺旋絞刀片的結(jié)構(gòu)示意圖

選取螺距和圈數(shù)，在“參數(shù)(P)”處：選取恒定螺距(C)，在“螺距(1)”處輸入320 mm，在“圈數(shù)(R)”處輸入1，在“起始角度(S)”處輸入0°，仍選取螺旋線的旋向?yàn)槟鏁r(shí)針，最后在“錐形螺紋線(T)”處輸入10°，編輯上述參數(shù)并確定后，即可獲得螺旋軸轂處的螺旋線，即“內(nèi)螺旋線2”。

3)再次選取上述同一繪圖基準(zhǔn)面(如：前視基準(zhǔn)面)，選擇“特征”工具欄中“曲線”按鈕下的“螺旋線/渦狀線”，彈出“草圖2”繪制界面，再以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制直徑為450 mm的圓，然后退出“草圖2”，則彈出“螺旋線/渦狀線”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“定義方式(D)”處:選取螺距和圈數(shù)，在“參數(shù)(P)”處：選取恒定螺距(C)，在“螺距(1)”處輸入320 mm，在“圈數(shù)(R)”處輸入1，在“起始角度(S)”處輸入0°，仍選取螺旋線旋向?yàn)槟鏁r(shí)針，最后在“錐形螺紋線(T)”處仍輸入10°，編輯上述參數(shù)并確定后，即可獲得螺旋外緣處的螺旋線，即“外螺旋線2”。

2.2.2 內(nèi)外螺旋線轉(zhuǎn)成“3D草圖”

1)單擊“3D草圖繪制”按鈕，則彈出“3D草圖1”繪制界面，選取“內(nèi)螺旋線2”，單擊“轉(zhuǎn)換實(shí)體”按鈕，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)螺旋線2”轉(zhuǎn)換成“3D草圖1”后，退出“3D草圖1”繪制界面。

2)再次單擊“3D草圖繪制”按鈕，又彈出“3D草圖2”繪制界面，選取“外螺旋線2”，單擊“轉(zhuǎn)換實(shí)體”按鈕，同樣實(shí)現(xiàn)“外螺旋線2”轉(zhuǎn)換成“3D草圖2”后，退出“3D草圖2”繪制界面。

2.2.3 內(nèi)外螺旋線形成螺旋絞刀片

1)單擊“鈑金特征”工具欄“放樣折彎”按鈕，則彈出“放樣折彎”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“輪轂(P)”處選取“3D草圖1”及“3D草圖2”，在“厚度”處選取20 mm，確定后形成一等寬圓錐螺旋絞刀片并存盤(pán)。等寬圓錐螺旋絞刀片的三維圖如圖8所示。

圖8 等寬圓錐螺旋絞刀片的三維圖

2)單擊“板金特征”工具欄“平板展開(kāi)”按鈕，等寬圓錐螺旋絞刀片就轉(zhuǎn)換成展開(kāi)成平板狀態(tài)下的三維圖，如圖9所示。

圖9 展開(kāi)成平板狀態(tài)下的等寬圓錐螺旋絞刀片的三維圖

(未完待續(xù))

蔡祖光(1964-)，本科，高級(jí)工程師；主要從事陶瓷機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造研究。

TQ174.5

A

1002-2872(2016)05-0036-06