熔體泵圓柱齒輪的參數化設計

2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 徐歡*李慶春*朱常委來源: 萬方數據
關鍵字: 熔體泵圓柱齒輪參數優(yōu)化二次開發(fā) 參數化設計三維
介紹了熔體泵的應用、結構,重點就熔體泵的主要組成部分-圓柱齒輪的參數化設計進行了探討。運用Visual Basic編程語言完成了熔體泵圓柱齒輪的參數化設計系統。該系統使熔體泵在滿足排量要求的前提下,對齒輪參數進行優(yōu)化,并對齒輪結構參數進行求解。還運用SolidWorks軟件二次開發(fā)技術實現了熔體泵圓柱齒輪三維建模的自動化。

1前言

熔體泵應用于塑料擠出,最早是在20世紀初,到20世紀70年代左右日趨成熟。20世紀80年代至90年代中期,熔體泵擠出技術在工業(yè)發(fā)達國家取得了高速發(fā)展,它在塑料擠出加工業(yè)的應用已涉及造粒、擠板(片、膜)、擠管、吹膜、擠出涂覆、型材擠出、連續(xù)吹塑等領域,加工的材料幾乎涉及所有的熱塑性樹脂、熱塑性彈性體及其它聚合物。熔體泵的基本結構是一種外嚙合式齒輪泵,即兩個模數、齒數、齒寬均相同的嚙合狀齒輪,在一個與它們的外徑和端面精密配合的泵體內旋轉。用于輸送塑料熔體的熔體泵,其主要功能是將來自塑化混煉設備的高溫塑料熔體增壓、穩(wěn)壓,保持熔體流量精確穩(wěn)定地送人擠出模具。它可在高溫達350°C,壓力達35 MPa或更高條件下連續(xù)工作。其主要特點是結構簡單緊湊,工作可靠。廣泛采用熔休泵擠出技術已成為塑料擠出加工業(yè)的主流。

熔體泵主要由泵體、前后側板、兩個相互嚙合的齒輪、軸承和密封件等組成,如圖1 ,2所示。相互嚙合的一對齒輪是熔體泵的核心部件,其結構形式多種多樣:按嚙合方式可分為內嚙合和外嚙合方式;按齒廓曲線可分為漸開線齒輪、圓弧齒輪和擺線齒輪等;按齒向可分為直齒輪、斜齒輪和人字齒輪等。但在輸送塑料熔體中最常用的是圓柱齒輪外嚙合式熔體泵,其中圓柱齒輪包括直齒圓柱齒輪(直齒輪)和斜齒圓柱齒輪(斜齒輪)。若采用斜齒輪的熔體泵,不僅能增加齒輪嚙合的重合度,而且嚙合時能對物料進行連續(xù)、平穩(wěn)的擠壓,減少壓力的波動。此外,斜齒輪還具有更好的自潔作用,可以避免物料的沉積分解。但是斜齒輪也存在相應的問題:在工作時會產生軸向力,加劇軸承與齒輪接觸面的磨損。文章推薦采用既易于加工,又可承受較高載荷的漸開線型斜齒輪。

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片1

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片2

在設計確定熔體泵圓柱齒輪的結構參數時,首先要使圓柱齒輪達到熔體泵的排量指標,并使圓柱齒輪的外形盡量小。同時,還要使齒輪滿足機械原理和強度條件方面的要求,如齒輪變位后要滿足加工時不根切、齒頂不過薄、保證一定的重合度、不產生過渡曲線干涉以及齒輪具有足夠的彎曲強度、接觸強度等。這樣,在圓柱齒輪設計過程中,為平衡滿足以上各方面的要求,必須通過反復的計算來調整修改各方面的參數,工作量大且復雜。針對這一狀況,作者運用Visual Basic編程語言完成了熔體泵圓柱齒輪的參數化設計系統。這一系統對熔體泵圓柱齒輪參數化設計具有實際指導意義,有助于縮短設計周期,提高工作效率,使熔體泵圓柱齒輪的設計過程趨于簡捷。

    2熔體泵圓柱齒輪的參數確定

下面以Visual Basic作為編程語言,進行熔體泵圓柱齒輪的參數優(yōu)化,并對圓柱齒輪的結構參數進行求解。

    2. 1根據熔體泵的排量要求對圓柱齒輪參數進行優(yōu)化

泵每轉所排出熔體的體積叫做泵的理論排量,或稱泵的排量,單位為cm3/r。對于一定尺寸規(guī)格的泵來說,從理論上講,泵每轉所排出熔體的休積量是一樣的,所以一般以排量多少來表征泵的規(guī)格。在工程實際應用中,通常使用較為簡捷的公式來計算泵的排量,其公式如下:

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片3

由排量公式可知,排量9與齒數Z成正比。當模數一定時,齒數多,排量大。但齒數多,泵的體積增大,如果保持泵的體積不變,Z增大時,排量減小。因此齒數不能太多,一般取8-20為宜。

當熔體泵排量一定時,圓柱齒輪齒數增多,泵的外形尺寸會隨之增大,但壓力脈動會減小。所以在要求熔體泵的流量脈動小時,可以取較多的齒數,一般取12~ 25。對于把建壓能力作為重點的熔體泵,可以取較少的齒數,一般取8一14。但模數和齒數的選擇是個較為復雜的問題,除考慮外形尺寸、排量大小外,還要考慮齒輪的寬度。而齒輪寬度是有限制的,若齒輪寬度過窄,將引起排量的下降;若齒輪寬度太大,則徑向力增大,軸頸及軸承所能承受的負載會隨之提高,且加工制造難度亦增大。一般情況下,采用平方齒輪的概念,即齒寬應等于分度圓直徑(B=mZ)。此時,熔體泵的排量公式可整理為:

下面根據熔體泵的排量需求對圓柱齒輪參數進行優(yōu)化:依據結構緊湊的原則,在滿足齒數和模數的要求下,應以最小的尺寸結構獲得最大的排量。文章運用VB語言對該模型進行優(yōu)化,即調整參數m和Z,使熔體泵排量在一定的情況下,分度圓尺寸達到最小。而參數m和Z也是有限制的,其中模數m要采用國標GB 1357-87所規(guī)定的標準模數系列;齒數Z在上文已經有所陳述,根據其側重點的不同,所選齒數范圍也有所不同,但是不管側重點放在流量脈動小還是放在建壓能力上,其齒數范圍均在8-25之內。

于是根據上述條件,建立一個目標函數f=(m,Z)=2пm3Z2,m的取值為1,1.25,1.5,2,2.5,3,4,5..... .Z的取值為8-25的正整數?，F要求解m和Z,在滿足上述函數關系的基礎上,m}Z取最小值,即熔體泵排量一定時,分度圓尺寸最小。設定、為己知量,在f(m,Z)一定的情況下,求取Zo當求取值Z為8 } 25之間的值時,將該組數據保留。之后將所有保留的數據組進行分度圓、排量上的比較,進而選擇合適的模數和齒數。由于函數計算過程中,所得的Z值基本上不會是整數,對其進行四舍五人,故函數值.f(m,Z)也稍微會有所變化。

    文章采用VB語言建立該數學模型,其程序框圖如圖3所示。

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片5

由于篇幅關系,省略了該VB優(yōu)化程序代碼。下面以256cm3/r的熔體泵排量為例,其運行后的優(yōu)化結果如圖4所示。

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片6

由程序運行結果可知,當輸入所需熔體泵排量為256cm3/r時,可得到一系列的模數和齒數組合,此時得到的齒數是經過圓整的,從而熔體泵的排量也隨之有所變化。根據運算結果可知,當分度圓尺寸到達最小時,其排量并不是最大。此外,根據熔體泵的用途對齒輪齒數進行選擇,當要求流量脈動較小時,選取較大的齒數(12~25),當要求建壓能力時,選取較小的齒數(8~14)。

    2. 2運用VB編程完成熔體泵圓柱齒輪的結構參數設計

漸開線標準齒輪不發(fā)生根切時的最小齒數是17 }5",可是由圖4的運算結果可知,多種情況下其齒數都會少于17。這時就要采用變位齒輪,由于熔體泵中兩個相互嚙合的齒輪完全相同,因此將采用不等變位齒輪傳動(角度變位齒輪傳動),分配變位系數時只需使它們相等即可。若采用變位齒輪,不僅可以有效利用漸開線的不同區(qū)段,從而可提高齒輪的抗彎強度和抗膠著能力,而且可用于配湊中心距。工程實踐證明,齒輪有輕微根切時,對降低齒根應力集中有一定的好處,故可允許有輕微根切,這時可取最小齒數為14。

在此程序中,齒頂高系數(ha )、頂隙系數(c)和分度圓壓力角(a)等均采用國家標準值,即ha=1,c=0.25,a=20°。圓柱齒輪的模數值也采用國家標準模數系列。

首先選擇所用圓柱齒輪類型、系列模數,輸入齒數,之后根據圓柱齒輪類型選擇是否輸人螺旋角以及變位中心距。輸人必要參數后,點擊確定即可得到圓柱齒輪的結構參數。此外,該程序還對圓柱齒輪變位之后是否出現根切現象、齒頂是否過薄、重合度是否滿足要求、是否產生過渡曲線干涉進行判斷。鑒于圓柱齒輪結構參數設計的VB程序代碼繁多,在此省略。下面根據圖4得到的運算結果,以齒數為14,模數為6n/m的變位斜齒輪為例。

由圖5可以看出,如圖6所示輸人的兩齒輪中心距是87 mm,點擊確定按鈕后,計算機會根據程序中的幾個判斷函數進行判斷,看是否滿足條件。此時中心距滿足要求,不會發(fā)生根切,計算結果如圖。在該程序中,采用熔體泵排量的精確計算表達式對其排量進行求解,其中表達式為:

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片7

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad案例圖片8

3熔體泵圓柱齒輪的參數化設計

下面以Visual Basic為編程語言,對熔體泵圓柱齒輪進行Solidwork。的二次開發(fā),完成熔體泵圓柱齒輪的參數化設計。

    3. 1運用VB編程語言對SolidWorks進行二次開發(fā)的過程

基于VB的SolidWorks二次開發(fā),最重要的是程序代碼的編寫。代碼可以完全由開發(fā)者寫人,即完全用程序實現三維模型的參數化設計以及模型的編輯,這種方法編程較為復雜,但可以實現對具有復雜形體的零件造型,如生成精確的漸開線齒輪齒廓。這種方法要求開發(fā)者對SolidWorks API函數非常熟悉,但是SolidWorks API函數有幾百個之多,對于初學者往往不容易掌握。一個簡單實用的方法是先錄制使用SolidWorks用戶界面執(zhí)行的操作,即錄制宏。宏是一系列命令的集合,進行零件設計時,通過SoIidworks軟件菜單【工具】、【宏操作】、【錄制】功能,即將用戶產品設計過程中用到的對象、方法等完整地記錄下來,獲得宏操作代碼,其語法完全符合VB要求。開發(fā)人員只需對所錄制的宏進行合理的編輯修改,用變量代替具體的參數,通過程序驅動設計變量即可實現產品的參數化設計。宏功能極大地簡化了SolidWorks的二次開發(fā)過程,對于實現參數化產品設計具有重要意義。

3.2熔體泵圓柱齒輪的參數化設計過程法,并運用Salidworka中宏錄制命令錄制了圓柱齒輪的三維建模過程。通過編輯修改所錄制的宏,用變量代替具體的參數,完成了圓柱齒輪的參數化設計。

    3.2.1繪制漸開線齒輪齒廓線方法

在錄制宏之前,需要在SolidWorks環(huán)境中用多種方法生成零件,進行比較,最終確定最適合于二次開發(fā)的步驟來生成零件并錄制宏。繪制圓柱齒輪過程中,首先要確定漸開線齒輪齒廓線,其確定方法如下。

一個完整的漸開線齒輪輪齒被分成幾個部分,如圖6所示。

齒廓線采用的是樣條曲線,選擇了3個關鍵點來繪制該樣條曲線:齒頂圓的交點,分度圓的交點和基圓的交點。過渡圓弧則采取齒根圓與基圓倒圓角的方法實現。之后通過鏡像完成整個齒廓線的繪制。

    3.3.2熔體泵齒輪宏錄制過程的三維建模步驟

    1)繪制齒頂圓、分度圓、基圓和齒根圓;
    2)確定左側齒頂圓、分度圓和基圓上的3個關鍵點,并采用3點圓弧命令將這3點連接起來,繪制出左側齒廓線;
    3)將基圓與齒根圓處進行倒圓角;
    4}剪切除齒廓線、過渡圓弧、齒頂圓和齒根圓外所有的線;
    5)鏡像生成右側的齒廓線和過渡圓弧,生成一個完整的單齒線;
6)直齒輪:結束草圖繪制,拉伸草圖長度為齒寬,形成直齒的單齒模型;斜齒輪:結束上述草圖繪制,在齒寬方向上新建草圖繪制,偏移一個螺旋角度,通過放樣操作生成斜齒的單齒模型;
    7)通過旋轉基體命令生成輪坯,完成圓柱齒輪的三維建模。

    3.3.3運用YB進行SolidWorks二次開發(fā)的程序設計

圖7所示為變位斜齒輪,其齒數為14,模數為6,螺旋角為9°,兩齒輪中心距為87。

在完成以上步驟后就可在VB中進行二次開發(fā)的程序設計了。界面設計應簡單明了,使用方便。在具體的編程過程中,利用SolidWorks帶的宏錄制功能,錄制得到宏文件,加以編譯即可生成被VB調用的應用程序。程序代碼過多,在此省略。由用戶程序界面輸人所需的參數,即可自動生成所需的圓柱齒輪,從而實現圓柱齒輪的參數化設計。

熔體泵圓柱齒輪的參數化設計autocad培訓教程圖片9

    4結語

    主要完成了熔體泵圓柱齒輪的參數優(yōu)化、結構參數求解及其二次開發(fā),開發(fā)了熔體泵圓柱齒輪的參數化設計系統,實現了圓柱齒輪三維建模的自動化。該參數化設計系統對熔體泵設計人員具有實際的指導意義,可以縮短設計周期,提高工作效率。此外,這也是二次開發(fā)技術在圓柱齒輪參數化設計上的有益嘗試,有助于簡化建模過程和提高建模效率,進而顯著提高熔體泵技術參數確定和相關整體結構設計方面的工作效率。

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