余志偉

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院， 湖北 武漢 430056）

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是先進(jìn)制造技術(shù)的代表，設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)快速生成零件三維實(shí)體模型，進(jìn)行虛擬裝配，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，不斷修改優(yōu)化，縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

千斤頂是一種起重或頂壓工具，分為機(jī)械和液壓兩種常見形式。機(jī)械式千斤頂中，螺旋千斤頂由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、靈活可靠，具有螺紋自鎖性，安全性高，價(jià)格便宜，攜帶方便的特點(diǎn)，在汽車修理和機(jī)械安裝中得到廣泛的應(yīng)用。

1 螺旋千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和工作原理

螺旋千斤頂主要由底座、螺套、螺桿、頂墊、絞杠和螺釘?shù)攘慵M成[1]。螺旋千斤頂裝配軸測(cè)圖如圖1所示。

圖1 螺旋千斤頂裝配軸測(cè)圖

螺套裝在底座的孔中，底座和螺套采用螺釘進(jìn)行固定，防止底座和螺套之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。螺桿和螺套通過螺紋連接在一起，通過螺紋旋轉(zhuǎn)，上下移動(dòng)，并且具有自鎖性。頂墊安裝在螺桿的頭部，它們之間為球面接觸。螺釘通過頂墊上的螺孔插入到螺桿上部的環(huán)形槽中，起到將頂墊與螺桿連在一起的作用。轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿時(shí)，頂墊也不至脫落。頂墊是工作中直接接觸其他物體的零件，采用可拆卸式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，方便損壞后的維修更換。絞杠穿在螺桿頂部的孔中，利用杠桿原理，起到省力的作用。轉(zhuǎn)動(dòng)絞杠，螺桿在螺套中靠螺紋傳動(dòng)上下移動(dòng)，上移時(shí)頂起重物。

2 螺旋千斤頂零件三維建模

SolidWorks 性能優(yōu)異、操作簡(jiǎn)單、易于使用[2]，特別適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)使用。以螺旋千斤頂為例，詳細(xì)介紹各類零件的三維建模和虛擬裝配方法。

如圖2 所示，螺旋千斤頂由7 種零件組合而成，其中5 號(hào)螺釘、7 號(hào)螺釘都屬于標(biāo)準(zhǔn)件。SolidWorks 軟件自帶標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的國(guó)標(biāo)號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的零件庫(kù)，輸入零件的尺寸即可完成零件的三維建模。除了2 個(gè)螺釘是標(biāo)準(zhǔn)件以外，其余5 個(gè)零件都屬于一般零件，其中4 號(hào)頂墊屬于盤蓋類零件。2 號(hào)螺套、3 號(hào)螺桿和6 號(hào)絞杠都屬于軸套類零件。1 號(hào)底座屬于箱體類零件[3]。以頂墊、螺桿和底座為例，講解三種不同類型零件的三維建模方法和注意事項(xiàng)。

圖2 螺旋千斤頂裝配圖（單位：mm）

2.1 頂墊的三維建模

頂墊屬于盤蓋類零件。盤蓋類零件的常見結(jié)構(gòu)以回轉(zhuǎn)體圓柱為主，特點(diǎn)是徑向尺寸較大，而軸向尺寸較小。零件外部結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，以回轉(zhuǎn)面為主，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，一般具有空心孔、槽等結(jié)構(gòu)。頂墊主體結(jié)構(gòu)是直徑Φ60 mm 圓柱體，里面挖了一個(gè)直徑Φ40 mm的圓柱孔，高度為14 mm。Φ40 mm 的圓柱孔上面有一個(gè)球面，半徑為SR25。頂墊的外部結(jié)構(gòu)為圓柱體，高度為33 mm。圓柱體上面切掉了一個(gè)半徑R22 mm的四分之一個(gè)圓柱體。頂墊頂部和臺(tái)階處分別有兩個(gè)C1.5 的倒角。Φ40 mm的圓柱右側(cè)有一個(gè)M8 的螺紋孔。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體的三維建模步驟如下：在草圖環(huán)境下，根據(jù)頂墊尺寸繪制輪廓草圖，通過“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體”命令生成基本實(shí)體[4]，如圖3 所示；通過“異型孔向?qū)А泵?，其中孔類型旋轉(zhuǎn)直螺紋孔，終止條件選擇完全貫穿，生成右邊的螺紋孔結(jié)構(gòu)。頂墊實(shí)體如圖4 所示。

圖3 頂墊草圖

圖4 頂墊實(shí)體

2.2 螺套的三維建模

螺套屬于套類零件。套類零件的主體結(jié)構(gòu)是空心圓柱體，端面有倒角,中間有孔、槽或者螺紋等結(jié)構(gòu)。螺套主體結(jié)構(gòu)是空心圓柱，分為兩節(jié)。左邊是直徑Φ80 mm，長(zhǎng)度為20 mm 的圓柱。右邊是直徑Φ65 mm，長(zhǎng)度為60 mm 的圓柱。螺套里面是空心的，加工有特殊螺紋，其螺距8 mm，齒厚4 mm。螺套左邊圓柱上有半個(gè)螺紋孔，規(guī)格為M10。螺套右側(cè)圓柱有C2 的倒角。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體的三維建模步驟如下：在草圖環(huán)境下，根據(jù)螺套尺寸繪制各節(jié)圓柱的輪廓草圖，通過“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體”命令生成基本實(shí)體，如圖5所示；通過“異型孔向?qū)А泵?，其中孔類型旋轉(zhuǎn)直螺紋孔，終止條件選擇完全貫穿，生成螺紋孔結(jié)構(gòu)；繪制螺紋斷面草圖，利用“掃描切除”命令，沿著螺旋線方向掃描切除生成螺紋結(jié)構(gòu)。螺套實(shí)體如圖6 所示。

圖5 螺套草圖

圖6 螺套實(shí)體

2.3 螺桿的三維建模

螺桿屬于軸類零件。軸類零件的主體結(jié)構(gòu)是圓柱體，軸端有倒角和中心孔,中間有退刀槽、鍵槽等結(jié)構(gòu)。螺桿主體結(jié)構(gòu)是圓柱體，一共分為三節(jié)。左邊第一節(jié)圓柱長(zhǎng)23 mm，直徑Φ39 mm。上面有一個(gè)寬度為7 mm 的退刀槽結(jié)構(gòu)。第一節(jié)圓柱左邊有一個(gè)SR25 的球面。裝配時(shí)和頂墊里面的球面貼合在一起。第二節(jié)圓柱長(zhǎng)45 mm，直徑Φ60 mm。中間挖了一個(gè)垂直相交的直徑Φ22 mm 的圓柱孔。第三節(jié)圓柱長(zhǎng)138 mm，直徑Φ50 mm。上面加工有特殊螺紋，其螺距8 mm，齒厚4 mm。裝配時(shí)與螺套的螺紋形成螺紋連接。第三節(jié)圓柱右端有一個(gè)C5 的倒角。第二節(jié)和第三節(jié)圓柱之間有一個(gè)10 mm 的凹槽。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體的三維建模步驟如下：在草圖環(huán)境下，根據(jù)螺桿尺寸繪制各節(jié)圓柱的輪廓草圖，通過“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體”命令生成基本實(shí)體，如圖7所示；通過“異型孔向?qū)А泵?，繪制中心孔草圖，拉伸切除形成中心孔；繪制螺紋斷面草圖，利用“掃描切除”命令，沿著螺旋線方向掃描切除生成螺紋結(jié)構(gòu)。螺桿實(shí)體如圖8 所示。

圖7 螺桿草圖

圖8 螺桿實(shí)體

2.4 底座的三維建模

底座屬于箱體類零件。箱體類零件外形結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般以圓形或者方形為主。內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多有各種孔、凸臺(tái)、筋板等結(jié)構(gòu)。底座主體是圓柱體，共分上下兩層。下層圓柱是直徑Φ150 mm，高度20 mm的圓柱體。上層圓柱是高度120 mm，直徑Φ110 mm的圓柱體。底座里面是臺(tái)階孔，分為三層，直徑分別為Φ86 mm、Φ65 mm和Φ80 mm。第三層圓柱里面有M10 的螺紋孔。裝配時(shí)與螺套里的半個(gè)螺紋孔合成一個(gè)完整的螺紋孔，用來裝螺釘進(jìn)行固定。底座內(nèi)外有多個(gè)R5 的圓角，頂部有C2 的倒角。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體的三維建模步驟如下：在草圖環(huán)境下，根據(jù)底座尺寸繪制各節(jié)圓柱的輪廓草圖，通過“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體”命令生成基本實(shí)體，如圖9 所示；通過倒角命令生成軸端倒角。底座實(shí)體如圖10 所示。

圖9 底座草圖

圖10 底座實(shí)體

3 螺旋千斤頂虛擬裝配和干涉檢查

通過模擬螺旋千斤頂裝配過程，利用干涉檢查，能夠讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中存在的問題，找到解決辦法，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和提高設(shè)計(jì)效率。

3.1 虛擬裝配

螺旋千斤頂?shù)奶摂M裝配過程是：選擇新建命令，選擇裝配體模式，生成裝配體文件；選擇底座作為第一零件，以默認(rèn)狀態(tài)“固定”插入到裝配體中，保證底座和裝配體的基準(zhǔn)面重合；沿著底座軸線作為裝配干線，依次插入螺套、螺釘、螺桿、頂墊、螺釘、絞杠各個(gè)零件。插入時(shí)注意各個(gè)零件間的裝配關(guān)系和連接方式，添加平行、重合、同心或同軸等約束關(guān)系，完成螺旋千斤頂?shù)奶摂M裝配，如圖11 所示。

圖11 螺旋千斤頂虛擬裝配

3.2 干涉檢查

虛擬裝配完成后，因?yàn)槿藶椴僮鞯脑?，裝配體中各零件的裝配位置和連接關(guān)系不一定完全準(zhǔn)確，需要對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查。通過軟件工具里面的“干涉檢查”命令，干涉區(qū)域在裝配體中會(huì)高亮顯示，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配體中零件錯(cuò)位、重合等干涉問題。干涉檢查問題如圖12 所示。點(diǎn)擊裝配體中干涉零件，調(diào)整零件參數(shù)、位置和配合方式，即可快速進(jìn)行修改，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。干涉修改結(jié)果如圖13 所示。

圖12 干涉檢查問題

圖13 干涉修改結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以螺旋千斤頂為研究對(duì)象，詳細(xì)講解了典型機(jī)械零件的三維建模方法和需要注意的問題。通過虛擬裝配和干涉檢查，能夠讓產(chǎn)品開發(fā)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中存在的問題，不斷修改完善，提高設(shè)計(jì)效率，降低開發(fā)成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。