摘    要：以Solidworks中一般圓柱螺旋線不能直接生成異型截面彈簧的問題，以矩形彈簧和三角形彈簧為研究對象，分析了在Solidworks中造型異型彈簧的方法和步驟，詳細(xì)說明了掃描圓柱螺旋面的兩種方法，論述了拉伸異型截面曲面、求交叉曲線等步驟中的關(guān)鍵技巧，此方法可以對此類零件造型起到舉一反三的作用。

關(guān)鍵詞：彈簧;特殊截面;Solidworks;

0 引言

彈簧是機(jī)械、電子等行業(yè)常用的一種零件，當(dāng)它受力的時(shí)候，可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成變形能，當(dāng)外力消失的時(shí)候，又能把變形能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或者動(dòng)能，從而起到控制運(yùn)動(dòng)、減震、儲(chǔ)能、測力等作用。

彈簧根據(jù)使用場合和要求，可以分為很多種，其中如果按形狀可以分為螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、異型彈簧等。

螺旋彈簧最為常見，在Solidworks中，制作圓柱螺旋彈簧，一般是以圓形為草圖生成圓柱螺旋線，然后再以圓柱螺旋線作為引導(dǎo)線進(jìn)行曲面掃描來完成，但是，有些場合的彈簧，并不是圓柱螺旋形的彈簧，而是帶有異型截面的彈簧，如圖1所示，例如：三角形彈簧、梯形彈簧、矩形彈簧等或者其他不規(guī)則形狀的彈簧，這些彈簧并不能簡單的在圓柱螺旋線基礎(chǔ)上掃描而成。以矩形彈簧和三角形彈簧為例，論述了這類異型截面的彈簧的制作方法以及關(guān)鍵的操作技巧。這類帶有異型截面的彈簧零件的造型都可以根據(jù)本文的方法，舉一反三設(shè)計(jì)造型。

1 矩形彈簧的制作方法

Solidworks中對于異型彈簧可以通過掃描螺旋面、拉伸異型曲面、求交叉曲線、掃描曲面得到。

1.1 螺旋面的制作

螺旋面的制作方法有兩種。

方法一：利用圓柱螺旋線作為引導(dǎo)線來掃描曲面。具體步驟為，在上視基準(zhǔn)面上做一個(gè)直徑為120 mm的圓，作為草圖生成圓柱螺旋線，螺旋形的螺距為15 mm，圈數(shù)為10圈，如圖2-1所示；在上視基準(zhǔn)面或者前視基準(zhǔn)面上畫一條水平直線，直線長度要大于120 mm，即圓的半徑；以直線為輪廓，螺旋線為路徑，掃描曲面，如圖2-2所示，得到螺旋面。

圖1 異型彈簧 

圖2 螺旋線引導(dǎo)做螺旋面 

方法二：利用直線作為引導(dǎo)線來掃描曲面。具體步驟為，在上視基準(zhǔn)面和前視基準(zhǔn)面上分別畫條直線。豎直直線高度即為彈簧高度150 mm，如圖3所示；運(yùn)行拉伸曲面命令，在編輯框的選項(xiàng)中，輪廓方位選“隨路徑變化”，輪廓扭轉(zhuǎn)選“指定扭轉(zhuǎn)值”，扭轉(zhuǎn)控制選“圈數(shù)”，方向1輸入“15”[1,2]；確定后也可以生成同方法一得到的螺旋面。

1.2 拉伸異型曲面

首先在上視基準(zhǔn)面上繪制異型彈簧截面的形狀作為草圖，例如矩形。

然后運(yùn)行拉伸曲面命令，得到一個(gè)異型截面的拉伸曲面，方形的拉伸曲面，如圖4所示。

圖3 直線引導(dǎo)做螺旋面 

圖4 拉伸矩形曲面 

1.3 求交叉曲線

運(yùn)行交叉曲線命令，在設(shè)計(jì)樹曲面實(shí)體中選擇前面兩步得到的螺旋面和拉伸得到的矩形曲面，如圖5-1所示，確定后得到這兩個(gè)曲面的交線即異型截面的螺旋線，如圖5-2所示。隱藏產(chǎn)生交叉曲線的兩個(gè)曲面以及引導(dǎo)線后，得到矩形的螺旋線，這也是本文掃描矩形彈簧的引導(dǎo)線。

1.4 掃描得到異型彈簧

以圖5-3所示的矩形螺旋線為引導(dǎo)線，以圓形為輪廓線，運(yùn)行掃描曲面，得到最終的如圖1所示的矩形彈簧。

圖5 交叉曲線 

2 三角形彈簧制作方法

三角形彈簧的制作方法和矩形彈簧制作方法類似，區(qū)別在于第二步。

由于它的截面形狀是三角形，所以在上視基準(zhǔn)面上繪制三角形草圖，如圖6所示。

然后以三角形草圖為基礎(chǔ)拉伸曲面；求出交叉曲線如圖7所示；掃描得到三角形彈簧如圖1所示。

3 異型彈簧的制作步驟

1）制作螺旋面，可以用圓柱螺旋線作為引導(dǎo)線，也可以用直線作為引導(dǎo)線。

圖6 三角形彈簧的拉伸曲面 

圖7 求三角形彈簧的交叉曲線 

2）制作拉伸曲面，拉伸曲面的草圖即為異型截面彈簧的截面形狀，如三角形、矩形、梯形或者其他不規(guī)則形狀多邊形等。

3）運(yùn)行交叉曲線，求出步驟1和步驟2產(chǎn)生的螺旋面和拉伸曲面的交線，即3D草圖曲線，這個(gè)3D草圖曲線也是后續(xù)彈簧掃描的引導(dǎo)線。

4）以步驟3中的異型截面螺旋線作為引導(dǎo)線，以圓形作為輪廓，運(yùn)行掃描曲面命令，即可得到異型截面的彈簧。

4 異型彈簧制作技巧

1）為了求交叉曲線，三角形或者矩形草圖的大小一定要小于螺旋面的大小，所以，第一步制作螺旋面的時(shí)候，草圖直線定義長度或者螺旋線的基圓直徑，取值要超過異型截面草圖大小。

2）以直線為引導(dǎo)線產(chǎn)生螺旋面時(shí)，直線的高度即為彈簧的高度，后續(xù)彈簧節(jié)距值和圈數(shù)的乘積等于這個(gè)高度值。

3）以螺旋線作為引導(dǎo)線時(shí)，掃描螺旋面時(shí)，應(yīng)選擇雙向掃描。

4）拉伸曲面的高度要高于螺旋曲面的高度，否則得到的彈簧高度會(huì)小于設(shè)計(jì)需要的高度。

5 結(jié)語

本文以矩形彈簧和三角形彈簧為例，論述了這類彈簧造型的一般方法：由于異型截面彈簧的截面不同，所以應(yīng)先根據(jù)截面形狀畫出不同形狀的草圖，然后拉伸成異型截面的曲面，共性的方法就是不管什么形狀的截面，都必須生成一個(gè)圓柱螺旋面，求出這個(gè)圓柱螺旋面和異型截面曲面的3D交線，最后把這條3D交線作為掃描彈簧曲面的引導(dǎo)線。本方法核心是拉伸不同截面形狀的曲面。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛瑞利.基于Solidworks的可變節(jié)距圓柱螺旋彈簧參數(shù)化系列建模[J].價(jià)值工程，2018(31):161-162.

[2] 上官林建.Solid Works三維建模及實(shí)例教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

文章來源機(jī)械管理開發(fā). 2023,38(09)