王云先
(中鋁山東工程技術(shù)有限公司,山東 淄博 255052)
離心式渣漿泵在冶金、礦山、電力、煤炭、水利等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。葉輪是泵的重要零件,其設(shè)計和制造過程復(fù)雜。為了縮短渣漿泵的研制開發(fā)周期,節(jié)約設(shè)計成本,可以利用三維機械CAD軟件在計算機上進行三維幾何造型設(shè)計,并在計算機上實現(xiàn)虛擬裝配和進行模擬運行仿真分析。本文對采用三維設(shè)計軟件SolidWorks2001對渣漿泵葉輪進行幾何造型設(shè)計的實踐進行了討論。
三維機械設(shè)計可以分為零件設(shè)計、虛擬裝配設(shè)計、工程圖設(shè)計三個不同的設(shè)計階段。由于設(shè)計過程的全相關(guān)性特點,使得設(shè)計者在任何階段對設(shè)計的修改都會影響到其他階段,設(shè)計過程變得非常靈活和輕松,大大提高了設(shè)計效率。
1.1.1 零件設(shè)計階段
三維設(shè)計開始于零件模型的建立。零件中每一個不同的加工實體稱為特征,特征按不同的方式組合就形成了三維零件模型。利用零件的三維模型,可以進行如下工作:
(1)生成零件的工程圖紙。
(2)進行產(chǎn)品的虛擬裝配,驗證設(shè)計的合理性。
(3)對零件生成數(shù)控加工代碼,直接用于零件加工。
(4)進行零件應(yīng)力分析和強度校核。
(5)產(chǎn)生零件的模具型腔。
1.1.2 虛擬裝配階段
采用自底向上的設(shè)計方法,利用三維零件模型可以實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬裝配。即將兩個或多個零件模型(或部件)按照一定約束關(guān)系進行裝配。而采用自頂向下的設(shè)計方法,可以使工程師能夠在裝配環(huán)境中參考裝配體、其他零件的位置及尺寸設(shè)計新零件,更加符合工程習(xí)慣。
利用三維設(shè)計軟件對產(chǎn)品進行虛擬裝配,可以檢驗產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理性、形成產(chǎn)品的真實效果圖、生成產(chǎn)品的爆炸視圖、對產(chǎn)品進行運動分析和動態(tài)仿真,甚至生成產(chǎn)品的模擬動畫,演示產(chǎn)品的裝配工藝工程。
1.1.3 工程圖階段
利用零件或裝配模型文件可以自動地生成工程圖文件。和傳統(tǒng)的計算機輔助繪圖相比,利用模型文件生成工程圖只需要簡單地指定模型的投影方向、插入模型的尺寸以及其他的工程圖細(xì)節(jié),就可以完成工程圖的操作,設(shè)計效率大為提高。
SolidWonks是原創(chuàng)的、基于Windows平臺的三維機械設(shè)計軟件,是Windows原創(chuàng)軟件的典型代表。它倡導(dǎo)三維CAD軟件的易用性、高效性和功能強大,其主要特點如下:
(1)全Windows界面,操作非常方便。
(2)清晰、直觀、整齊的“全動感”用戶界面。
(3)靈活的草圖繪制和檢查功能。
(4)強大的特征建模能力和零件與裝配的控制功能。
(5)完整的、符合標(biāo)準(zhǔn)的工程圖。
(6)數(shù)據(jù)交換方便、支持工作組協(xié)同工作、便于二次開發(fā)。
本次設(shè)計的葉輪為半開式葉輪,在結(jié)構(gòu)上可分為后蓋板、主葉片、副葉片和連接螺孔等四部分。后蓋板為一環(huán)狀體,其造型只需畫出剖面草圖的一半,由中心線進行基體旋轉(zhuǎn)操作即可。副葉片分成兩組共八片,每組由四片形狀相同的葉片構(gòu)成,兩組葉片呈圓周狀相間排列。對于副葉片的造型,可先對其中一組四片相同葉片中的一片進行造型設(shè)計,然后進行圓周陣列即可得到另外三片,另一組的四片可采用同樣方法進行。主葉片由四片形狀相同的扭曲葉片呈圓周分布,可先對其中一片進行造型設(shè)計,然后進行陣列即可。連接螺孔是葉輪和泵軸連接的部位。連接螺孔可由異型孔向?qū)нM行設(shè)計生成。
2.2.1 后蓋板造型設(shè)計
葉輪后蓋板造型首先要繪制用于基體旋轉(zhuǎn)的草圖,草圖就是三維零件的截面輪廓圖。其中需特別注意的是,由于葉輪螺孔的底端呈圓弧狀,該部分特征不能由異型孔向?qū)?,故在基體造型時,先生成該螺孔的底端部分。完成草圖后,使用旋轉(zhuǎn)凸臺/基體命令,即可生成如圖1所示的葉輪后蓋板。操作步驟為:
(1)選擇前視面作為繪制草圖的平面。
(2)根據(jù)后蓋板截面的幾何尺寸,利用草圖繪制工具畫草圖。
(3)利用特征生成工具,把草圖旋轉(zhuǎn)360O生成葉輪后蓋板模型。
2.2.2 連接螺孔造型設(shè)計
螺孔造型由異型孔向?qū)?。添加螺孔后的葉輪模型形如圖2所示。主要步驟如下:
(1)選擇圖1中螺孔凸臺的右端面為插入螺孔的平面。
(2)利用軟件菜單命令:插入——特征——孔——異型孔,在打開的對話框中設(shè)定螺紋孔的螺紋外徑、螺紋內(nèi)徑、螺紋長度、螺距等參數(shù)。
(3)生成螺紋孔 。
圖1
圖2
2.2.3 副葉片造型設(shè)計
根據(jù)前面對副葉片造型策略的分析,副葉片造型主要有以下步驟:
(1)選取圖1葉輪蓋板右端平面作為繪制草圖的基準(zhǔn)面。
(2)在選取的基準(zhǔn)面上繪制一片副葉片的軸向截面輪廓草圖。
(3)對草圖進行拉伸,拉伸的高度為副葉片的軸向厚度,得到一片副葉片。
(4)利用該副葉片進行特征圓周陣列操作,得到共8片副葉片。結(jié)果如圖3所示。
2.2.4 主葉片造型設(shè)計
葉輪的主葉片由四片相同的扭曲葉片所組成,先對其中一片進行造型設(shè)計,然后利用特征圓周陣列功能生成其他三片即可。由于主葉片是三維扭曲葉片,主葉片造型是本設(shè)計的難點。對三維扭曲葉片的造型,其過程十分復(fù)雜,造型過程中用到的造型技巧較多。主要造型步驟及方法如下。
(1)利用曲面生成工具建立葉片頂部旋轉(zhuǎn)曲面Qm1。
(2)建立一個與葉輪軸垂直的基準(zhǔn)平面Pm1,在該基準(zhǔn)面繪制葉片根部截面輪廓草圖后,再把該葉片根部截面草圖投影到后蓋板曲面上,得到投影線Ty1。
(3)再建立一個與葉輪軸垂直的基準(zhǔn)平面Pm2,在該基準(zhǔn)面繪制葉片頂部截面輪廓草圖后,再把該葉片頂部截面草圖投影到后蓋板曲面上,得到投影線Ty2。
(4)以投影線Ty1和投影線Ty2進行曲面的放樣,得到主葉片的壓力扭曲面和吸力扭曲面。
(5)主葉片的壓力扭曲面和吸力扭曲面對葉片頂部旋轉(zhuǎn)曲面Qm1裁剪,得到葉片頂部曲面。
(6)將主葉片的壓力扭曲面、吸力扭曲面和葉片頂部曲面縫合,構(gòu)成扭曲主葉片的外表曲面。
(7)對扭曲主葉片的外表曲面加厚,使之成為實體,就得到了一片扭曲主葉片。
(8)對該片扭曲主葉片進行特征陣列操作,得到其他三片扭曲主葉片。最終的造型設(shè)計結(jié)果如圖4所示。
圖3
圖4
CAD技術(shù)在機械行業(yè)中的作用日益突出。本文以三維機械設(shè)計軟件SolidWorks為工具,通過對200/250型渣漿泵葉輪進行三維造型設(shè)計的實踐,有如下體會:
(1)提高了設(shè)計效率,縮短了開發(fā)周期。原來需要幾個月才能完成的設(shè)計任務(wù),現(xiàn)在只需幾周便得以完成,使產(chǎn)品在市場競爭中占得先機。
(2)節(jié)約成本。,通過虛擬裝配對產(chǎn)品進行運動分析和動態(tài)仿真,可以檢驗產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理性,避免設(shè)計錯誤帶來的浪費。
(3)能較容易地實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的三維設(shè)計,可以在零件未生產(chǎn)出來之前即可看到零件的實際模型。