利用SolidWorks彎曲特征繪制葉輪

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所屬分類:Solidworks

今天周站長給大家帶來的是SolidWorks彎曲特征的使用方法。下面我們以一款不銹鋼沖壓式離心泵的葉輪為例給大家演示彎曲特征的用法。如圖1所示,整個葉輪按結構特征劃分是閉式葉輪,圖中只有下蓋板,省略上蓋板。葉輪的成型工藝為,先使用板材沖壓好葉輪的上下蓋板與葉片,再用模具將葉片彎曲成形,然后在電阻焊機上,將蓋板與葉片放置于葉輪模具中,通過電流,葉片即可附著于上下蓋板。

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圖1 葉輪平面圖與葉片展開圖

  1. 模型分析

整個葉輪的葉片蓋板相對較為簡單,旋轉特征即可完成,難點在于葉片的成型。從葉輪平面圖可以看到,整個葉片厚度相同,內輪廓由3段不同半徑的圓弧構成,若葉片橫截面處處相同,則可以直接通過拉伸的方式,但從葉片的展開圖看,葉片的下側為直線要素,但上側為若干點控制的樣條曲線,如此一來,不規則的輪廓再加上圓弧,是不可能直接通過拉伸的方式成型的。因此,從實物的成型過程來看,依然需要經過兩個步驟,先完成“平面葉片”,再在此基礎上進行“彎曲”成型。即從軟件的角度看,彎曲特征屬于“基于特征的特征”。

  1. 特征分析及建模思路

彎曲特征的思想是,基于拉伸或旋轉等其他特征的基礎上,通過輔助線、裁剪平面控制彎曲范圍,及通過參數調整范圍內特征在空間的6個自由度,從而成型。首先需要畫出葉輪相關的輔助線,然后再繪制成型需要的輔助線,然后引用特征,填寫相關參數,完成特征。

對于復雜的彎曲特征,坐標原點的選擇尤其重要,因為輔助線牽涉坐標計算。我們知道,讓盡可能多的點和線落在坐標軸上,便可以檢查計算,但是在SolidWorks建模過程中,還要考慮模型的對稱性。對于這個零件,筆者建議將坐標原點選在整個葉輪的中心。

  1. 建模

Step 1 :繪制輔助草圖。打開SolidWorks軟件,新建零件,在上視基準面分別繪制Φ44與Φ129的圓,并且在同一個草圖中繪制一個葉輪成型后的內輪廓。內輪廓的繪制過程比較麻煩,首先確定原點,然后再繪制3段半徑圓弧。

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圖2 三段不同半徑的圓弧圓心確定

如圖2所示,線段AD與Φ44的圓相切關系,但放大之后發現A點并不在圓上,這里是一個讀圖的易錯點,再繪制線段AE,線段AE與線段AD等長度。以E點為起點,確認點B,使得線段BE為25,以B點為起點,繪制線段BF;以F點為起點,確認點C,使得線段CF為21.5,以C為起點,繪制線段CG,使得CG的長度為21.5。分別添加3個角度約束,使得草圖中的線段完全定義。

如圖3所示,在圖2的基礎上使用“圓弧”命令中的“圓心、起終點畫弧”分別繪制弧DE、弧EF和弧FG,三段弧的圓心分別是A、B、C,確認草圖。

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圖3 葉片的內輪廓繪制方法

Step 2 :繪制圓弧輔助線。“彎曲”特征在使用時,需要指定裁剪基準面,但是兩個裁剪基準面之間包含的是“彎曲”之前的狀態,而不是曲線,只能是直線,因此需要在3段圓弧的基礎上做每一段弧的輔助直線,并且令輔助直線的長度等于弧的長度。

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圖4 做裁剪基準面輔助線

如圖4所示,分別作線段DH垂直于線段DA,線段EJ垂直于線段EA,線段FK垂直于線段FB,特別注意,這三條線段要處于不同的草圖中,令線段DH=弧DE,線段EJ=弧EF,線段FK=弧FG。

Step 3 :建立葉片模型。我們的想法是,將葉片一端置于D點(或G點)并固定,在“力”的作用下逐漸進行彎曲。那么葉片的就應該建立在包含線段DH,并且與線段DA垂直的平面上。由圖1可知,葉片的輪廓是由一條樣條曲線加五條線段組成的封閉圖形,樣條曲線由11個控制點控制,在點個數較少的情況下,我們可以通過作直線輔助線加尺寸約束的方法作圖,這里想象一個極端情況,當控制點個數較多時,顯然此辦法就有點麻煩了。這里我們使用【插入】---【曲線】---【通過XYZ點的曲線】來繪制葉片的外輪廓,并且將葉片坐標原點選為輪廓的右下角。如此一來,這11個控制點的坐標為:

點1(0,4.5,0)點7(-50.14,7.5,0)
點2(-12.04,5,0)點8(-54.74,8,0)
點3(-22.24,5.5,0)點9(-59.04,8.5,0)
點4(-32.34,6,0)點10(-63.3,9,0)
點5(-38.94,6.5,0)點11(-67.3,9.5,0)
點6(-44.64,7,0)備注:點的順序從右到左

在txt文本中錄入上述控制點的坐標,或者直接在SolidWorks “通過XYZ點的曲線”命令中輸入。TXT文本的錄入格式為“X Y Z”,三個方向坐標值以空格隔開,下一個點通過回車換行輸入。

由于Z值為0,所以此樣條曲線應該位于前視基準面內。激活前視面,進入一個草圖,使用“轉換實體引用”將此線轉換為實體線,再繪制5條線段將葉輪輪廓封閉,標注適當的尺寸予以約束,如圖5所示,將葉片輪廓保存成塊,然后可以添加至設計庫中。

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圖 5 葉片輪廓

前以述及,葉片的位置應該位于過線段DH,并且與線段AD相垂直的平面上,顯然,此時葉片輪廓位置不符合我們想要的位置。因此需要建立此基準面。

操作【插入】---【參考幾何體】---【基準面】 ,如圖6所示,第一參考選擇線段DH,重合約束,第二參考選擇線段AD,垂直約束,隨后確認此。(此平面確定的數學理論是:若一個平面在一條直線上,并且垂直于不與第一條直線平行的直線,那么此平面是唯一確定的)

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圖6 做葉片基準面

進入此基準面,從設計庫中將葉片的輪廓拖入平面內,令葉片輪廓的基準點與D點重合。隨后對葉片輪廓進行拉伸操作,厚度為1.5mm,此步驟簡單,從略,繪制完成之后,如圖7所示。

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圖7 未“彎曲”的葉片位置

Step 4 :添加彎曲特征。操作:菜單欄【插入】---【特征】---【彎曲】 ,進入彎曲命令對話框,如圖8所示。對于使用此特征不多的同學來說,可將“三重軸”的6個參數都設置為0,使得三重軸局部坐標方向和全局坐標方向對齊。對齊之后,三重軸原點容易求得為(0,0,-64.5),三個軸的旋轉度數需要根據實際情況調整,并且這6個參數組可能并不唯一。第一次彎曲,度數輸入模型度數24度,兩個剪裁基準面分別選擇D點和H點。當草圖復雜時,可將其他無關的草圖先隱藏,只顯示當前步驟會用到的草圖。

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圖8 彎曲命令對話框相關設置

如圖9所示,兩個剪裁基準面的拾取點一般在同一個草圖中,除非是公共點,有可能不在同一個草圖中。三重軸的坐標可通過在圖1或者圖2的草圖中直接測量得到,但需要注意坐標轉化問題。可以通過2D平面測量,得知D、E、F三個折彎點的坐標長度,也可以在3D中測量。這里順便我們將3段圓弧的長度標注出來,可以看見,3段圓弧的總長度為72.427mm,但是模型中的長度為74.3mm,難道是模型尺寸有誤?當然不是,這與材料成型有關,當板材受彎時,材料內側被壓縮,材料外側被拉長,存在一個中性面,在鈑金中稱之為K因子。

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圖9 第一次彎曲特征,相關參數輸入

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圖10 第二次和第三次彎曲特征輸入參數

Step 5 :檢驗模型正確性。如圖11所示,葉片彎曲成型之后,可以看到其底部實體輪廓完全與我們圖3中的弧DEFG重合,這證明我們的彎曲特征是正確的,葉片總共經過3次彎曲特征成型。但是在G點,材料有剩余,這是因為在實際的加工過程中,最終的葉片長度為中性面層長度,而我們這里是葉片彎曲的內輪廓,在使用SolidWorks實體建模時,軟件并沒有“中性層”的概念,因此,實際上,這個葉片是被“拉長了”。

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圖11? 葉片彎曲特征檢驗

本小節難點在于三重軸的調整,三重軸原點通過測量或計算準確得到,三重軸的旋轉調整根據模型擺放情況調整,一般先調整折彎軸。

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最后通過圓周陣列繪制其他葉片和葉輪上下蓋板,完成此模型。

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周站長

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