SolidWorks波状螺杆参数化建模

　　一、前言

　　波状螺杆是最早由美国HPM公司A.Kruder等人提出，后来在美国及其他国家发展起来的一种塑料混合异型螺杆。所谓波状螺杆就是在常规全螺纹螺杆上用一波状段代替全螺纹段，如图1a所示。波状螺杆的特点是两个相邻螺槽的底径相等，但却是偏心的，而且偏心距相等，并与螺杆轴线对称。由于螺槽深度沿轴向呈波浪形周期性地变化，所以预塑时物料受到强挤压和强剪切作用，从而提高塑料挤出机、注塑机的混合能力。有的波状螺杆主要能提供分布混合，有的波状螺杆既有分布混合能力，也有分散混合能力，波状螺杆被广泛应用于塑料加工工业。

　　对螺杆进行精确的几何建模，不仅是塑料挤出机、注塑机有限元分析、工作运动仿真和虚拟样机建立等设计工作的必要前提，也是异型螺杆数控加工自动编程的前提。相对普通螺杆，波状螺杆结构较为复杂，本文针对波状螺杆的典型结构，运用参数化技术，探讨采用SolidWorks软件对波本文根据波状螺杆的结构特征，在形体分析的基础上对波状螺杆进行参数化建模，介绍了SolidWorks波状螺杆参数化建模的过程和技术要点，探索了参数化技术在螺杆快速设计、系列设计及变形设计中的应用。状螺杆进行快速设计、系列设计及变形设计的建模方法，也适合于其他螺杆类零件的设计建模。

　　二、螺杆的参数化设计步骤

　　1.螺杆分段及参数设定

　　应用形体分析法把波状螺杆(如图1a)分解成由螺杆尾、螺槽结构(如图1b)、螺棱结构(如图1c)及螺杆头四个分段。螺杆分段的目的是为了达到简化复杂异型螺杆参数化难度的目的，其中螺纹特征主要有等距、变距、单线、多线等几种形式，深度特征主要有等深、变深、波浪等几种形式。以如图1a波状螺杆为例，参数如表所示。

　　2.螺杆分段模型建立

　　用SolidWorks软件建立螺杆分段实体模型，零件中的草图绘制要标全尺寸，并要完全约束。

　　3.定义螺杆分段的参数

　　在SolidWorks中显示尺寸及其名称，将模型原始的尺寸名称改为与螺杆参数相符或具有一定意义;然后对部分尺寸根据设计要求建立尺寸关联(软件中显示为“∞”)和方程式(软件中显示为“∑”);最后把不需要显示的尺寸进行隐藏，仅显示参数化中需要用到的尺寸。

　　4.螺杆的拼装设计

　　由于异型螺杆的结构普遍比较复杂，直接在“零件模块”进行螺杆参数化设计，存在较大难度，也不利于精确造型和参数化的实现。可以采用从“零件”到“装配”再由“装配”模式下“派生零部件”的方法得到螺杆零件，由于SolidWorks的“零件模块”、“装配模块”、“工程图模块”及“派生零件”之间存在关联，所以这种设计方法特别适合结构复杂的螺杆建模，便于复杂螺杆的参数化结构修改和螺杆系列零件设计。

　　三、螺杆参数化建模实例

　　1.螺棱结构参数化建模

　　螺杆的参数化关键是螺棱结构的参数化，在SolidWorks软件里做螺棱结构首先要生成路径草图(螺旋线)和截面草图(法向截面或轴向截面)，然后用“扫描”命令来生成螺棱结构。螺棱结构的参数定义如表所示，图2为几种常见的螺纹结构。

　　2.螺槽结构参数化建模

　　普通螺杆的螺槽特征(等深、变深)参数化建模比较简单，波状螺杆精确建模的另一关键是波状段螺槽特征的建模。波状螺杆有“单波”和“双波”之分，如图3所示。单波型螺杆的螺槽深度变化是在同一条螺槽中进行的，双波型螺杆的螺槽分两部分，两部分螺槽深度各自按一定的规律周期地变化，二者之间有一定的相位关系，双波型螺杆可以分成两种形式，附加螺纹的双波状螺杆和无附加螺纹的双波状螺杆。单波段深度特征参数化定义如图4所示，主要参数有：螺杆直径D，波谷深度Hv，波峰深度Hp，导程Ph，波段长度L。O、O1、O2分别为螺杆、上波、下波的轴心位置，由于波段螺旋线本身要具有一定的连续性，根据图3b可以得出这样的结论：A、B两点位置是上下波段的螺旋路径组合的结合点，我们取其中一个作为单波螺旋的起点和终点，这里取A点，因此θ1就是下波螺旋的起始角，θ2为上波螺旋的起始角，两者轴向的距离差为一个导程。单波段的三维建模方法如下。

　　①绘制图3b的草图，并标注参数尺寸D、Hp、Hv、θ1、θ2，其中θ1、θ2为从动尺寸，保留该草图，作为后续建模参照。

　　②重新建模后，提取上波浪轮廓，以上波为底圆，生成一个螺距的螺旋线。选取螺旋线起始角度与参照草图中的θ2角度，使用“连接数值”命令使两角度相等，可以省略角度方

　　程计算。以该螺旋线为路径，生成一个螺距的上波特征。

　　③建立一新草图绘制平面，以距离上波草图的平面距离为一个导程，提取下波轮廓，以下波底圆，生成一个螺距的螺旋线，同样把螺旋线起始角度与参照草图中的θ1进行“连接数值”使两角度相等。以该螺旋线为路径，生成一个螺距的下波特征。由于两个螺旋有偏心而螺线参数相同，所以会有相互重叠和分离现象，但被螺棱覆盖后不影响螺杆的整体建模。

　　④用“移动/复制实体”命令，设定间距为2倍导程，根据长度要求，复制若干个波段。

　　⑤切除两头多余部分，对两个波浪交界处进行过渡处理，定义参数化尺寸，最后完成图3a单波深度特征的参数化建模。

　　双波段深度特征参数化定义如图5所示，主要参数有：螺杆直径D，波谷深度Hv，波峰深度Hp，导程Ph，双波段长度L。其建模方法如下。

　　①绘制图4b草图，标注参数尺寸，保留该草图，作为后续建模参照。

　　②提取“下波”轮廓，拉伸“下波”圆柱。

　　③提取“上波”轮廓，以此为基圆，制作一螺旋线为路径，穿透该螺旋线做一宽度为二分之一导程的截面，用“扫描切除”命令去除“下波”圆柱中多余的材料。

　　④提取“上波”轮廓，以此为基圆，制作一螺旋线为路径，穿透该螺旋线做一宽度为二分之一导程的截面，用“扫描”命令添加“上波”特征。

　　⑤切除两端多余部分，设定方程式和关联尺寸，完成如图5a的双波深度特征的参数化建模。

　　3.螺杆段装配拼装

　　在建立所有螺杆结构段模型的基础上，进行螺杆的装配设计，具体步骤如下。

　　①在零件设计模式下，从模型库中提取需要的螺杆段结构，由于螺杆段已经有了完整的参数定义，所以只要输入相应的尺寸就可以生成所需要的分段结构。

　　②在装配模式下，把螺杆段装配成如图1所示的装配体，检查合格后，利用“连接”命令，把所有零件连接成一个零件，用“派生零部件”命令派生出一个新的波状螺杆零件，这样就完成了如图1a所示的双波状螺杆的设计。

　　四、结束语

　　本文在形体分析的基础上，通过对波状螺杆的分段特征参数化建模，最终实现了各种波状螺杆的参数化装配设计，且模型正确无误。限于篇幅，没有叙述更多种类波状螺杆的参

　　数化建模过程。相同种类的螺杆，变化大多只是结构尺寸，采用参数化方法建模设计不仅可以节省时间，还便于实现系列化设计和变异设计。

　　本文螺杆零件模型的建立方法，是一个从“零件”到“装配”再到“零件”的过程，能有效解决由于螺杆结构的复杂性所带来的建模困难问题，同时利用SolidWorks强大的黄金伙伴软件可以使螺杆的CAD/CAE/CAM技术应用更加方便。