基于SolidWorks螺旋面机械零件的三维实体建模技术

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通过典型实例介绍，利用SolidWorks实现螺旋面机械零件三维建模过程，并对螺旋面的一些渐变情形提出具体的解决方法。
1 螺旋面机械零件建模分析
圆柱螺旋面机械零件的螺旋部分由螺旋实体和螺旋槽组成，用通过螺旋面机械零件轴线的平面截切，截螺旋实体和螺旋槽分别得到其截面，截面的轮廓称之为"轴截面轮廓"。用垂直于螺旋面机械零件轴线的平面截切，可分别得到螺旋实体和螺旋槽的截面，截面的轮廓称之为"垂截面轮廓"。
螺旋面机械零件的螺旋实体部分，可以认为是由螺旋实体的轴截面或垂截面沿螺旋线扫描拉伸的轨迹。螺旋槽同样也可以认为是螺旋槽的轴截面或垂截面沿螺旋线扫描切除的轨迹。
SolidWurks是基于特征的三维软件。其建模特征是在图形的轮廓的基础上进行的。在其螺旋特征的生成过程中，需要设置螺旋线的一些要素和扫描截面轮廓以及生成方式。螺旋线的要素包括定义方式(螺距和圈数、高度和圈数、高度和螺距)、旋向(左旋、右旋)、生成方向，此外还可以生成锥形等螺距螺旋线。截面轮廓分为2种，即轴截面轮廓和垂截面轮廓。生成方式包括2种，扫描拉伸和扫描切除。
/ |  f6 U+ J' t/ q; a+ j, m! D" g通过利用SolidWorks中扫描特征，根据螺旋面机械零件的特点，合理地进行设置，即可生成所需的三维实体模型。
7 l; r, K9 s& X. _" G4 S! u' p9 \2 螺旋面机械零件的建模方法
通过具体的螺旋面机械零件，阐述了利用SolidWorks中扫描特征进行建模的方法。
% H# S. J! B, V, y2.1 螺纹零件的三维建模
图1为普通螺纹的图样，其螺纹部分的轴截面如图1局部剖面图所示，为等边三角形切除顶部(实际情况是等边三角形的顶部是圆角，主要原因为刀具磨损)，这样就成了一梯形。垂截面轮廓比较复杂，因此应以轴截面轮廓作为扫描截面轮廓，以螺旋线为扫描路径进行扫描拉伸(扫描切除)来生成螺纹特征。
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5 `5 _$ ^4 _7 i- c3 G& D$ r) V以轴截面轮廓作为扫描轮廓进行扫描拉伸的主要操作步骤(以M=20·2.5)为例。
(1)利用拉伸特征命令，生成直径等于螺纹小径d1=17.294 mm, h=30 mm的圆柱基体;
6 C! d& E$ E) X" y; i(2)在圆柱面上生成螺距P=2.5 mm的螺旋线，螺旋线直径为17.294 mm;
(3)在通过轴线的某一平面上做出螺纹的轴截面轮廓，要求螺纹轴截面轮廓(梯形的长底边)和圆柱与轴截面所在平面的交线重合;
(4)用扫描拉仲特征命令，以螺纹轴截面轮廓为扫描轮廓，以螺旋线为扫描路径，生成螺纹的三维建模。
0 c/ k! l4 m; M利用扫描切除来生成，主要操作步骤如下:
& [+ d, [6 l, B①利用拉伸特征命令生成D=20 mm, h =30mm的圆柱基体;②在圆柱上生成螺距p=2.5 mm的螺旋线，螺旋线直径为17.294 mm;③在通过轴线某一平面上做出螺纹槽的轴截面轮廓，要求槽的轴截面轮廓(梯形的长底边)和圆柱与轴截面所在平面的交线重合;④用扫描切除特征命令，以螺纹槽轴截面轮廓为扫描轮廓，以螺旋线为扫描路径，生成螺纹的三维建模。
* k/ ^/ g1 \7 j7 Y- Q7 v0 v% k上述2种方法所生成的结果是一样的。但有些结构，如螺纹零件的螺尾、麻花钻头的沟槽尾部，轴齿轮的退刀部分等，这些结构呈渐浅状态。在生成尾部时，需改变螺旋线的生成方式。
带螺尾的普通螺纹(以M=20·2.5为例，P=2.5 mm时，收尾x=6.3)。建模步骤如下:
) F" m& V% S9 f$ e; E①利用拉伸特征命令生成D=20 mm, h=40rnrn的圆柱基体;②在圆柱上生成螺距P= 2.5 mm的螺旋线，螺旋线直径为17.294。;③在螺旋线的终端生成锥形螺旋线(锥度外张，a=12.120,p = 2.5mm,h=6.3 mm)，锥状螺旋线起始直径d二17.294InIn，起始角度和前螺旋线的结束角度相同，其余参数相同，利用组合曲线工具将2个螺旋线合并成新的螺旋组合曲线;④在通过轴线某一平面上做出螺纹槽的轴截面轮廓，要求槽的轴截面轮廓(梯形的长底边)和圆柱与轴截面所在平面的交线重合;⑤用扫描切除的方法生成螺纹和螺纹尾部，以螺纹槽的轴截面轮廓为扫描轮廓，以螺旋组合曲线为扫描路径，生成螺纹的三维建模(见图2)。
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; {% M9 `& k0 |利用2次扫描切除，步骤如下:
①生成螺纹部分，方法如前所述;②在螺旋线末端生成锥状螺旋线，参数如上所述，要求此锥状螺旋线的起始角度同前螺旋线的结束角度相同;③利用草图绘制中转换实体引用工具，将螺纹槽末端槽形转换成草图，以此草图为扫描轮廓，锥形螺旋线为扫描路径，利用扫描切除特征命令生成螺纹收尾部分。
2.2 圆柱抖齿轮吹三维建模
# ~7 [) y3 v4 a9 {! P& s以渐开线斜齿轮为例(见图3)，齿轮的齿面呈螺旋状。斜齿轮的端面齿廓为渐开线，端面齿廓可由斜齿轮的有关计算公式算出相应参数，而其轴截面轮廓复杂难画，因此以端面齿廓作为截面轮廓。三维建模有3种方法:①作出齿轮的圆柱基体(直径为齿根圆直径)，然后用一个齿廓进行扫描拉伸，而后进行阵列;②作出齿轮的圆柱基体(直径为齿顶圆直径)，然后用一个齿槽进行扫描切除，而后进行阵列;③作出端面齿廓，然后进行扫描拉伸。第3种方发比较好。

9 z- h7 V: I* g4 R" ~端面建模，扫描拉伸圆柱斜齿轮的三维模型，主要步骤如下(例:斜齿轮的参数mn=2 mm,z=25 ,han*=1，cn*=0.25, αn=20°,β=15°:
& |) O7 H8 l; p' }( e: ~2 k(1)按给出的法面模数mn,齿数z、螺旋角β、压力角αn等参数计算出分度圆直径d = zmn/cos β=51.7638mm,螺旋线螺距P=πd/tanβ=606.909mm.
3 C: M3 K: j; j4 N; ~2 E8 C(2)作螺旋线，螺旋线螺距P=606.909 mm，螺旋线直径d=51.7638 mm，导人端面齿廓图(此步骤下文有解释);
/ F# t5 E, `$ f6 E(3)用扫描拉伸特征命令，以端面齿廓为扫描截面，以螺旋线为扫描路径生成三维模型，而后再用拉伸切除特征命令生成轴孔和键槽。
对于带退刀结构的轴齿轮，其退刀部分的沟槽逐渐变浅，可以利用生成螺纹的螺纹尾部相同的方法完成此退刀槽三维建模。主要步骤如下(例:mn=2 mm, z=10, han*=1，cn*=0.25, αn=20°, β=20°):
2 s! ~6 z  W$ w# Z8 R  ~) W(1)按给出的法面模数mn、齿数z、螺旋角β、压力角an等参数计算出分度圆直径d=zmn/cosβ=21.284 mm,螺旋线导程P=πd/tan β=183.712二，齿顶圆直径da=d + 2mnhmn*== 25.284，用拉伸特征命令生成直径为25.284 mm的圆柱;
(2)在圆柱的底面上导人单个轴齿轮槽的垂截面，在圆柱上生成螺距183.712 mm,螺旋直径21.284 mm的螺旋线，用扫描切除特征命令，以轴齿轮槽垂截面轮廓为扫描轮廓，螺旋线为路径进行扫描切除;
2 B! u2 i# @3 `, ~/ H* X(3)在螺旋线的末端生成锥形螺旋线(锥度外张取角度a=15°)，其余参数和前一条螺旋线一致，起始角度和前螺旋线的终了角度相同;
- V% f7 _3 @# _% k: }2 z(4)利用草图绘制中转换实体引用工具将齿槽末端槽形转换成草图，并以此草图为扫描切除的轮廓线，以锥形螺旋线为路径进行扫描切除，即得到轴齿轮尾部的退刀部分;
(5)阵列齿槽和退刀部分，即可得到所需要的三维轴齿轮建模(见图4)。
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也可利用组合曲线工具将2个螺旋线合并成1条曲线进行扫描切除。
3 调用CAXA绘制齿廓图形
$ F* R, H. G" E; V# z$ ^5 MCAXA电子图板是我国目前自主版权的CAD软件系统，它简单易学、操作方便，支持多种标准数据接口，能方便地和AutoCAD进行文件交换。调人齿廓图形的步骤如下:
  p# y3 s, w" H(1)在CAXA中用齿轮生成的命令生成完整端面齿廓图(也可以是单个齿廓)，然后将此图用"*.dwg"格式输出;
(2)在SolidWorks中执行"打开"命令，在出现的对话框中选择"* . dwg"，然后将CAXA输出的"*.dwg"文件打开，输人到零件中，在输人数据单位中选择"mm"。这样完整的端面齿廓图绘制完毕。
" U* A- l& g" b# S: N4 结语
通过实例，利用SolidWorks的特征建模功能，快速地绘制螺旋面机械零件的三维模型，且针对其中的渐变部位提出了可行的处理技术，对机械三维标准件库的建立提供了技术支持，具有一定实用价值。
' G! H' I* P) `/ }用SolidWorks画螺旋面的关键是选择好轮廓，应根据零件的特征，确定采用垂截面轮廓或轴截面轮廓，以使所画截面轮廓图形尽量简单，这样不但绘图方便，也为参数化设计提供技术参考。【MechNet】
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