基于CATIA 的滾刀加工蝸輪建模及仿真＊

王 敏，蘇振馳，萬長東

（蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州215104）

蝸桿傳動由于具有結構緊湊、傳動比高、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，得到了廣泛的應用[1]。目前蝸輪蝸桿建模一般有兩種方法：①通過Creo 或Solidworks 等軟件的齒輪工具箱自動生成，此方法生成的模型在裝配時會發(fā)生未嚙合現(xiàn)象；②利用KiSSsoft 等齒輪生成器生成，建模精度高，操作簡便，直接輸入?yún)?shù)即可生成模型[2]。但局限性強，后期對模型的操作不便。但是，實際的蝸輪蝸桿產(chǎn)品通常有一些獨特的技術特征，此時用這些工具設計有困難[3]。因此，本文利用CATIA軟件對礦用閥門執(zhí)行器減速箱二級蝸輪蝸桿進行精確建模，能有效提高設計效率，并用于各類有限元仿真分析。

1 幾何建模

某礦用閥門執(zhí)行器減速箱二級蝸輪蝸桿原始數(shù)據(jù)來源于企業(yè)，如表1 所示。

1.1 建立蝸輪蝸桿參數(shù)

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)和設計規(guī)范，計算出蝸輪蝸桿各個尺寸數(shù)據(jù)，如表2 所示，并將表2 數(shù)據(jù)輸入CATIA 中。

表1 原始數(shù)據(jù)表

1.2 建立蝸桿幾何模型

蝸桿的建模主要利用CATIA 的螺旋掃描功能。首先繪制蝸桿在其軸向剖面內的齒廓，圓柱蝸桿的種類不同，其軸向剖面的齒廓也不同。然后畫出蝸桿螺旋線，蝸桿頭數(shù)與螺旋線的個數(shù)相同，螺旋線半徑與蝸桿齒根圓半徑相同，蝸桿螺旋線的起點需與軸向剖面的齒廓相交。蝸桿齒面掃描完成后，可繼續(xù)根據(jù)實際參數(shù)添加倒角、鍵槽等特征，蝸桿模型如圖1 所示。

表2 基礎數(shù)據(jù)表[4]

1.3 建立蝸輪幾何模型

蝸輪的建模主要利用CATIA 強大的DMU 仿真模塊，將蝸桿作為滾刀，模擬出滾刀切削蝸輪的過程，提取運動過程中的運動包絡數(shù)據(jù)，處理生成運動的包絡線，如圖2 所示。根據(jù)這些包絡線構造蝸輪的齒面，可得到與蝸桿完全嚙合的蝸輪，如圖3 所示。

1.4 裝配與運動仿真

進入“裝配設計”模塊，導入蝸輪蝸桿模型文件進行裝配，根據(jù)裝配關系進行約束，然后選擇“碰撞”命令，檢查蝸輪蝸桿之間有無發(fā)生干涉，結果顯示沒有發(fā)生干涉。再用測量工具檢測嚙合面之間的間隙，嚙合部位最大總間隙值為0.017 mm，滿足裝配要求。將生成的蝸桿和蝸輪導入CATIA裝配模塊里進行裝配，得到蝸桿副如圖4 所示。進入“DMU運動機構”模塊，創(chuàng)建連接副，進行運動仿真，沒有檢測到運動干涉。

圖1 蝸桿模型

圖2 蝸桿運動包絡線

圖3 蝸輪

圖4 蝸桿副

2 ANSYS 有限元仿真分析

2.1 有限元模型建立

建立蝸輪蝸桿裝配體，導入ANSYS Workbench 的“靜力學分析（Static Structural）”模塊中進行處理。材料屬性如表3 所示。按照表3 在前處理中輸入材料屬性。

表3 材料屬性

給蝸桿一端施加5°轉角，蝸輪施加32.68 N·m 逆阻力矩。采用四面體實體單元對蝸輪蝸桿進行有限元網(wǎng)格劃分，總單元數(shù)為937 282。

2.2 計算結果分析

2.2.1 結構彎曲強度計算結果

嚙合時刻蝸桿的應力分布情況如圖5 所示，最大應力為104.415 MPa。嚙合時刻蝸輪的應力分布情況如圖6 所示，最大應力為208.83 MPa。

圖5 蝸桿應力分布

圖6 蝸輪應力分布

2.2.2 結構接觸強度計算結果

蝸輪蝸桿的接觸應力分布如圖7 所示，最大接觸應力為241.36 MPa。

圖7 蝸輪蝸桿接觸應力

經(jīng)分析，蝸輪最大應力值為208.83 MPa，蝸桿最大應力值為104.415 MPa，均產(chǎn)生在齒根過渡圓角處，均沒有超過其材料屈服強度，在安全范圍內，滿足強度要求。

綜上所述，基于CATIA 的滾刀加工蝸輪建立的模型可用于有限元仿真分析，且結果表明所選參數(shù)下的蝸輪蝸桿最大應力滿足材料強度要求，可用于實驗參考，減少時間及試驗費用，獲得更接近實際的分析數(shù)據(jù)。

3 結語

本文介紹利用CATIA 軟件對某礦用閥門執(zhí)行器減速箱中二級蝸輪蝸桿進行精確建模，并在ANSYS Workbench 中進行靜力學分析，獲得蝸輪蝸桿在極限工況下的應力應變云圖，驗證其可行性。

通過本文所述的建模方法創(chuàng)建的模型有以下幾個優(yōu)點：①模型可被反復編輯修改，零件特征數(shù)據(jù)不會丟失，而齒輪生成器生成的齒輪不具備此優(yōu)勢。②CATIA 參數(shù)化建模方法較為靈活、方便，適用性強。將CATIA 與ANSYS Workbench進行連接后，不需要接口轉換，設定參數(shù)值范圍，可直接在ANSYS Workbench 中對模型進行裝配或作一些特征修改，減少前處理時間以及零碎時間，提高效率。