渣漿泵葉輪三維幾何造型設(shè)計

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。

1 三維機械設(shè)計的過程及SolidWorks軟件的特點

1.1 三維機械設(shè)計的過程

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。

1.2 SolidWorks軟件的特點

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)。

2 200/250型渣漿泵葉輪三維幾何造型設(shè)計

2.1 葉輪幾何特征分析及造型策略

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 葉輪三維幾何造型設(shè)計

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

3 結(jié)束語

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。