摘要:介紹了美國Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司推出的三維機械設計軟件Ｉｎｖｅｎｔｏｒ在模具設計中的應用.以典型機械零件齒輪的建模為例,講解了Ｉｎｖｅｎｔｏｒ軟件自動計算出齒輪的常規特性和慣性特性的方法及其在設計中的應用.

    關鍵詞:Ｉｎｖｅｎｔｏｒ;軟件;模具設計;有限元分析

　　目前在中國制造業ＣＡＤ技術已經成為工程設計領域應用最為廣泛的技術,美國Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司開發的ＣＡＤ圖形數字化專用軟件,由于其功能強、易掌握、使用方便,二次開發性好,受到了世界各國工程設計人員的歡迎,被廣泛應用于機械、建筑、電子、化工、航天、汽車、輕紡、服裝、地理、廣告設計等領域.

　　針對我省產業結構調整的實際,結合振興老工業基地和現代裝備制造基地建設的需求,加快三維ＣＡＤ應用和三維造型分析計算等技術的工程化和產品化進程,為企業信息化提供強有力的技術支撐,高職學院應該發揮應有的作用.

　　美國Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司推出的三維機械設計軟件Ｉｎｖｅｎｔｏｒ,它與ＡｕｔｏＣＡＤ完全兼容.提供了獨特的草繪功能、簡單方便、快速智能的2Ｄ自適應布局,可以方便地從二維轉換到三維,使用自動尺寸標注可以完成所有的關鍵尺寸標注,包含標準的機械零件庫.Ｉｎｖｅｎｔｏｒ提供了拉伸與旋轉、掃掠特征與螺旋體成型方法,具有生成組合與展示、工程圖與零件表、金屬盒(鈑金)各種各樣機械類零件的功能.

　　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ具有優秀的三維設計解決方案,杰出的三維參數化尺寸驅動系統,產品零部件的各個視圖和圖紙數據的關聯性,獨特的自適應技術,優秀的工程圖功能.在各種ＣＡＤ軟件家族中處于領先地位,一經推出就深受用戶的歡迎,在計算機輔助設計領域有著較高的市場占有率.Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0是最新版本,該版本在運行速度、整體處理能力、網絡功能等方面都達到了一個全新的水平.

　　1　在模具設計中的應用

　　目前塑料零部件其制品已在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產品中得到廣泛的應用,60%～80%的塑料零部件都要依靠模具成形.用模具生產零部件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗,是其它加工制造方法所不能比擬的.由于塑料注射成型過程復雜,制品質量不易保證.傳統的二維模具結構設計已越來越不適應現代化生產和集成化技術要求.模具設計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設計模具.所以采用的三維數字化模型能方便地用于產品結構的ＣＡＥ分析、模具可制造性評價和數控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享.因此在模具設計中應用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0的輔助設計功能,進行精確的分析計算,還能夠用于機械零、部件的動平衡計算,能縮短設計周期,提高設計效率,便于模具結構形狀和尺寸的改進.實體模型還可以在強度計算的有限元分析中再次使用,實施優化設計.

　　本文以齒輪為例,對齒輪進行優化設計.由于齒輪形狀比較復雜,以往在進行計算時通常采用圖解法計算其體積、質量和重心,即先將齒輪劃分成若干近似規則形狀的小塊,分別計算各小塊的體積、形心,再將其迭加后得到整個齒輪的體積和形心.這樣做費時費力,并且計算結果受到作圖精度的影響較大.為了提高設計效率,筆者應用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0軟件對齒輪進行三維實體造型,并用軟件的輔助計算功能得出整個齒輪的體積、質量和重心等幾何特性,從而提高了計算的精度和設計效率,并且便于塑料注射量的計算和模具結構的合理改進.因此有效地運用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0的輔助設計功能,從而取得了簡潔、高效、精確的設計效果.

　　2　設計步驟

　　齒輪是最常用的機械零件,應該根據齒輪參數和精度等級來繪制齒輪.

　　2 1　根據齒輪尺寸構建二維草圖,建立尺寸之間的參數關系表

　　(1)在參數表中用戶參數表內添加4個參數:

　　齒數=39、模數Ｍ=4ｍｍ、齒形角Ａ=20°、齒厚=35ｍｍ,并且根據需要設置參數的值和單位,如圖1所示.

　　(2)用草圖面板命令繪制齒形輪廓輔助線:

　　選擇“圓心半徑”繪制齒根圓ｄ1=Ｒ83,分度圓ｄ2=Ｒ78,齒頂圓ｄ3=Ｒ73.

　　分度圓=模數Ｍ×齒數Ｚ;齒根圓=模數Ｍ×齒數(Ｚ-2 5);齒頂圓=模數Ｍ×齒數(Ｚ+2 5).

　　選擇“直線”命令,根據節距Ｐ=ｍ×π,畫垂線計算出分度圓齒厚ｄ4=6 28ｍｍ.

　　繪制壓力角切線,如圖2所示.

　　(3)繪制齒形截面輪廓:

　　使用草圖面板“三點圓弧”畫齒形截面輪廓線,使輪廓線與壓力角切線和分度圓交點ａ相切應用“鏡像”、“修剪”、“延伸”進行修改后獲得如圖3所示.

　　2 2　三維造型設計

　　完成齒形截面輪廓后,基于草圖特征做三維造型設計,進行三維拉伸,如圖4所示.

　　2 3　初步完成齒輪設計

　　作圓角特征完成齒輪如圖5所示.

　　對齒根圓與齒形的交線進行圓角,輸入圓角半徑Ｒ=1 52.

　　對齒頂圓與齒形的交線進行圓角,輸入圓角半徑Ｒ=0 38.

　　2 4　作三維陣列,完成全部齒形的繪制

　　繪制凸臺Ｒ=32 5ｍｍ,根據國家標準繪制花鍵孔,如圖6所示.

　　2 5　利用軟件中的相關工具查詢、計算整體齒輪的體積、質量和重心

　　下拉菜單“文件”“零件特性”,打開“特性”對話框,選取選項卡“物理屬性”,在材料對話欄中選擇“ＡＢＳ”塑料,軟件自動計算出齒輪的常規特性和慣性特性,如圖7所示.

　　3　結論

　　通過以上實例我們可以看出,制造業不斷涌現的新技術、新工藝諸如精密模具加工等對ＣＡＤ技術提出了新的要求.同時參數化造型設計、建模與修改的靈活性和有限元分析等對ＣＡＤ軟件的特性與功能也提出了愈來愈高的要求.

　　3 1　參數化造型

　　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ的參數化造型是通過參數、尺寸關系和參考元素的方法把零部件設計意圖融入計算機輔助設計模型的強有力的工具.

　　在設計中首先建立用戶參數表,輸入齒數、模數、齒形角和齒厚等參數.當需要建立一個新齒輪時,只要在參數表中修改參數值,然后進行更新操作,系統將自動生成一個新的齒輪模型.

　　3 2　建模與修改的靈活性

　　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ提供了強大的建模功能,它是一個三維機械設計網絡軟件,與傳統的ＣＡＤ軟件相比較,可以在部件環境中在位創建零件和修改零件.在建立有多個零件的部件時,使用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ自適應技術完成的零件可以自動調整大小和位置,建立起零件之間的裝配關系,能夠進行復雜模具的裝配.

　　3 3　有限元分析

　　直接使用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ軟件的材料庫,選取所需的材料,對三維零件模型的常規特性和慣性特性自動進行計算.同時結合有限元分析軟件如(ＤｙｎａｍｉｃＤｅｓｉｇｎｅｒ,ＶｉｓｕａｌＮａｓｔｒａｎＦＥＡ),可以對復雜的機械系統進行完整的運動學和動力學仿真.能夠計算出機械系統零件的運動情況,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力,還可以作出零件的強度和結構分析.