基于SolidWorks 的千斤顶三维建模与虚拟装配

2024-01-04余志伟

机械管理开发 2023年11期

关键词：草图螺杆底座

余志伟

（江汉大学智能制造学院，湖北武汉 430056）

0 引言

计算机辅助设计是先进制造技术的代表，设计人员利用计算机快速生成零件三维实体模型，进行虚拟装配，可以及时发现设计中存在的问题，不断修改优化，缩短开发周期、降低开发成本，提高企业竞争力。

千斤顶是一种起重或顶压工具，分为机械和液压两种常见形式。机械式千斤顶中，螺旋千斤顶由于结构简单、操作方便、灵活可靠，具有螺纹自锁性，安全性高，价格便宜，携带方便的特点，在汽车修理和机械安装中得到广泛的应用。

1 螺旋千斤顶的结构和工作原理

螺旋千斤顶主要由底座、螺套、螺杆、顶垫、绞杠和螺钉等零件组成[1]。螺旋千斤顶装配轴测图如图1所示。

图1 螺旋千斤顶装配轴测图

螺套装在底座的孔中，底座和螺套采用螺钉进行固定，防止底座和螺套之间产生相对转动。螺杆和螺套通过螺纹连接在一起，通过螺纹旋转，上下移动，并且具有自锁性。顶垫安装在螺杆的头部，它们之间为球面接触。螺钉通过顶垫上的螺孔插入到螺杆上部的环形槽中，起到将顶垫与螺杆连在一起的作用。转动螺杆时，顶垫也不至脱落。顶垫是工作中直接接触其他物体的零件，采用可拆卸式的设计结构，方便损坏后的维修更换。绞杠穿在螺杆顶部的孔中，利用杠杆原理，起到省力的作用。转动绞杠，螺杆在螺套中靠螺纹传动上下移动，上移时顶起重物。

2 螺旋千斤顶零件三维建模

SolidWorks 性能优异、操作简单、易于使用[2]，特别适合产品设计的初学者进行学习使用。以螺旋千斤顶为例，详细介绍各类零件的三维建模和虚拟装配方法。

如图2 所示，螺旋千斤顶由7 种零件组合而成，其中5 号螺钉、7 号螺钉都属于标准件。SolidWorks 软件自带标准件库，根据标准件的国标号选择对应的零件库，输入零件的尺寸即可完成零件的三维建模。除了2 个螺钉是标准件以外，其余5 个零件都属于一般零件，其中4 号顶垫属于盘盖类零件。2 号螺套、3 号螺杆和6 号绞杠都属于轴套类零件。1 号底座属于箱体类零件[3]。以顶垫、螺杆和底座为例，讲解三种不同类型零件的三维建模方法和注意事项。

图2 螺旋千斤顶装配图（单位：mm）

2.1 顶垫的三维建模

顶垫属于盘盖类零件。盘盖类零件的常见结构以回转体圆柱为主，特点是径向尺寸较大，而轴向尺寸较小。零件外部结构比较简单，以回转面为主，内部结构相对复杂，一般具有空心孔、槽等结构。顶垫主体结构是直径Φ60 mm 圆柱体，里面挖了一个直径Φ40 mm的圆柱孔，高度为14 mm。Φ40 mm 的圆柱孔上面有一个球面，半径为SR25。顶垫的外部结构为圆柱体，高度为33 mm。圆柱体上面切掉了一个半径R22 mm的四分之一个圆柱体。顶垫顶部和台阶处分别有两个C1.5 的倒角。Φ40 mm的圆柱右侧有一个M8 的螺纹孔。

根据零件结构特点，具体的三维建模步骤如下：在草图环境下，根据顶垫尺寸绘制轮廓草图，通过“旋转凸台/基体”命令生成基本实体[4]，如图3 所示；通过“异型孔向导”命令，其中孔类型旋转直螺纹孔，终止条件选择完全贯穿，生成右边的螺纹孔结构。顶垫实体如图4 所示。

图3 顶垫草图

图4 顶垫实体

2.2 螺套的三维建模

螺套属于套类零件。套类零件的主体结构是空心圆柱体，端面有倒角,中间有孔、槽或者螺纹等结构。螺套主体结构是空心圆柱，分为两节。左边是直径Φ80 mm，长度为20 mm 的圆柱。右边是直径Φ65 mm，长度为60 mm 的圆柱。螺套里面是空心的，加工有特殊螺纹，其螺距8 mm，齿厚4 mm。螺套左边圆柱上有半个螺纹孔，规格为M10。螺套右侧圆柱有C2 的倒角。

根据零件结构特点，具体的三维建模步骤如下：在草图环境下，根据螺套尺寸绘制各节圆柱的轮廓草图，通过“旋转凸台/基体”命令生成基本实体，如图5所示；通过“异型孔向导”命令，其中孔类型旋转直螺纹孔，终止条件选择完全贯穿，生成螺纹孔结构；绘制螺纹断面草图，利用“扫描切除”命令，沿着螺旋线方向扫描切除生成螺纹结构。螺套实体如图6 所示。

图5 螺套草图

图6 螺套实体

2.3 螺杆的三维建模

螺杆属于轴类零件。轴类零件的主体结构是圆柱体，轴端有倒角和中心孔,中间有退刀槽、键槽等结构。螺杆主体结构是圆柱体，一共分为三节。左边第一节圆柱长23 mm，直径Φ39 mm。上面有一个宽度为7 mm 的退刀槽结构。第一节圆柱左边有一个SR25 的球面。装配时和顶垫里面的球面贴合在一起。第二节圆柱长45 mm，直径Φ60 mm。中间挖了一个垂直相交的直径Φ22 mm 的圆柱孔。第三节圆柱长138 mm，直径Φ50 mm。上面加工有特殊螺纹，其螺距8 mm，齿厚4 mm。装配时与螺套的螺纹形成螺纹连接。第三节圆柱右端有一个C5 的倒角。第二节和第三节圆柱之间有一个10 mm 的凹槽。

根据零件结构特点，具体的三维建模步骤如下：在草图环境下，根据螺杆尺寸绘制各节圆柱的轮廓草图，通过“旋转凸台/基体”命令生成基本实体，如图7所示；通过“异型孔向导”命令，绘制中心孔草图，拉伸切除形成中心孔；绘制螺纹断面草图，利用“扫描切除”命令，沿着螺旋线方向扫描切除生成螺纹结构。螺杆实体如图8 所示。

图7 螺杆草图

图8 螺杆实体

2.4 底座的三维建模

底座属于箱体类零件。箱体类零件外形结构比较简单，一般以圆形或者方形为主。内部结构比较复杂，多有各种孔、凸台、筋板等结构。底座主体是圆柱体，共分上下两层。下层圆柱是直径Φ150 mm，高度20 mm的圆柱体。上层圆柱是高度120 mm，直径Φ110 mm的圆柱体。底座里面是台阶孔，分为三层，直径分别为Φ86 mm、Φ65 mm和Φ80 mm。第三层圆柱里面有M10 的螺纹孔。装配时与螺套里的半个螺纹孔合成一个完整的螺纹孔，用来装螺钉进行固定。底座内外有多个R5 的圆角，顶部有C2 的倒角。

根据零件结构特点，具体的三维建模步骤如下：在草图环境下，根据底座尺寸绘制各节圆柱的轮廓草图，通过“旋转凸台/基体”命令生成基本实体，如图9 所示；通过倒角命令生成轴端倒角。底座实体如图10 所示。

图9 底座草图

图10 底座实体

3 螺旋千斤顶虚拟装配和干涉检查

通过模拟螺旋千斤顶装配过程，利用干涉检查，能够让产品设计开发人员及时发现设计过程中存在的问题，找到解决办法，优化设计方法和提高设计效率。

3.1 虚拟装配

螺旋千斤顶的虚拟装配过程是：选择新建命令，选择装配体模式，生成装配体文件；选择底座作为第一零件，以默认状态“固定”插入到装配体中，保证底座和装配体的基准面重合；沿着底座轴线作为装配干线，依次插入螺套、螺钉、螺杆、顶垫、螺钉、绞杠各个零件。插入时注意各个零件间的装配关系和连接方式，添加平行、重合、同心或同轴等约束关系，完成螺旋千斤顶的虚拟装配，如图11 所示。

图11 螺旋千斤顶虚拟装配

3.2 干涉检查

虚拟装配完成后，因为人为操作的原因，装配体中各零件的装配位置和连接关系不一定完全准确，需要对装配体进行干涉检查。通过软件工具里面的“干涉检查”命令，干涉区域在装配体中会高亮显示，从而及时发现装配体中零件错位、重合等干涉问题。干涉检查问题如图12 所示。点击装配体中干涉零件，调整零件参数、位置和配合方式，即可快速进行修改，最终达到设计要求。干涉修改结果如图13 所示。