基于SolidWorks 的千斤頂三維建模與虛擬裝配

余志偉

（江漢大學智能制造學院， 湖北 武漢 430056）

0 引言

計算機輔助設計是先進制造技術的代表，設計人員利用計算機快速生成零件三維實體模型，進行虛擬裝配，可以及時發現設計中存在的問題，不斷修改優化，縮短開發周期、降低開發成本，提高企業競爭力。

千斤頂是一種起重或頂壓工具，分為機械和液壓兩種常見形式。機械式千斤頂中，螺旋千斤頂由于結構簡單、操作方便、靈活可靠，具有螺紋自鎖性，安全性高，價格便宜，攜帶方便的特點，在汽車修理和機械安裝中得到廣泛的應用。

1 螺旋千斤頂的結構和工作原理

螺旋千斤頂主要由底座、螺套、螺桿、頂墊、絞杠和螺釘等零件組成[1]。螺旋千斤頂裝配軸測圖如圖1所示。

圖1 螺旋千斤頂裝配軸測圖

螺套裝在底座的孔中，底座和螺套采用螺釘進行固定，防止底座和螺套之間產生相對轉動。螺桿和螺套通過螺紋連接在一起，通過螺紋旋轉，上下移動，并且具有自鎖性。頂墊安裝在螺桿的頭部，它們之間為球面接觸。螺釘通過頂墊上的螺孔插入到螺桿上部的環形槽中，起到將頂墊與螺桿連在一起的作用。轉動螺桿時，頂墊也不至脫落。頂墊是工作中直接接觸其他物體的零件，采用可拆卸式的設計結構，方便損壞后的維修更換。絞杠穿在螺桿頂部的孔中，利用杠桿原理，起到省力的作用。轉動絞杠，螺桿在螺套中靠螺紋傳動上下移動，上移時頂起重物。

2 螺旋千斤頂零件三維建模

SolidWorks 性能優異、操作簡單、易于使用[2]，特別適合產品設計的初學者進行學習使用。以螺旋千斤頂為例，詳細介紹各類零件的三維建模和虛擬裝配方法。

如圖2 所示，螺旋千斤頂由7 種零件組合而成，其中5 號螺釘、7 號螺釘都屬于標準件。SolidWorks 軟件自帶標準件庫，根據標準件的國標號選擇對應的零件庫，輸入零件的尺寸即可完成零件的三維建模。除了2 個螺釘是標準件以外，其余5 個零件都屬于一般零件，其中4 號頂墊屬于盤蓋類零件。2 號螺套、3 號螺桿和6 號絞杠都屬于軸套類零件。1 號底座屬于箱體類零件[3]。以頂墊、螺桿和底座為例，講解三種不同類型零件的三維建模方法和注意事項。

圖2 螺旋千斤頂裝配圖（單位：mm）

2.1 頂墊的三維建模

頂墊屬于盤蓋類零件。盤蓋類零件的常見結構以回轉體圓柱為主，特點是徑向尺寸較大，而軸向尺寸較小。零件外部結構比較簡單，以回轉面為主，內部結構相對復雜，一般具有空心孔、槽等結構。頂墊主體結構是直徑Φ60 mm 圓柱體，里面挖了一個直徑Φ40 mm的圓柱孔，高度為14 mm。Φ40 mm 的圓柱孔上面有一個球面，半徑為SR25。頂墊的外部結構為圓柱體，高度為33 mm。圓柱體上面切掉了一個半徑R22 mm的四分之一個圓柱體。頂墊頂部和臺階處分別有兩個C1.5 的倒角。Φ40 mm的圓柱右側有一個M8 的螺紋孔。

根據零件結構特點，具體的三維建模步驟如下：在草圖環境下，根據頂墊尺寸繪制輪廓草圖，通過“旋轉凸臺/基體”命令生成基本實體[4]，如圖3 所示；通過“異型孔向導”命令，其中孔類型旋轉直螺紋孔，終止條件選擇完全貫穿，生成右邊的螺紋孔結構。頂墊實體如圖4 所示。

圖3 頂墊草圖

圖4 頂墊實體

2.2 螺套的三維建模

螺套屬于套類零件。套類零件的主體結構是空心圓柱體，端面有倒角,中間有孔、槽或者螺紋等結構。螺套主體結構是空心圓柱，分為兩節。左邊是直徑Φ80 mm，長度為20 mm 的圓柱。右邊是直徑Φ65 mm，長度為60 mm 的圓柱。螺套里面是空心的，加工有特殊螺紋，其螺距8 mm，齒厚4 mm。螺套左邊圓柱上有半個螺紋孔，規格為M10。螺套右側圓柱有C2 的倒角。

根據零件結構特點，具體的三維建模步驟如下：在草圖環境下，根據螺套尺寸繪制各節圓柱的輪廓草圖，通過“旋轉凸臺/基體”命令生成基本實體，如圖5所示；通過“異型孔向導”命令，其中孔類型旋轉直螺紋孔，終止條件選擇完全貫穿，生成螺紋孔結構；繪制螺紋斷面草圖，利用“掃描切除”命令，沿著螺旋線方向掃描切除生成螺紋結構。螺套實體如圖6 所示。

圖5 螺套草圖

圖6 螺套實體

2.3 螺桿的三維建模

螺桿屬于軸類零件。軸類零件的主體結構是圓柱體，軸端有倒角和中心孔,中間有退刀槽、鍵槽等結構。螺桿主體結構是圓柱體，一共分為三節。左邊第一節圓柱長23 mm，直徑Φ39 mm。上面有一個寬度為7 mm 的退刀槽結構。第一節圓柱左邊有一個SR25 的球面。裝配時和頂墊里面的球面貼合在一起。第二節圓柱長45 mm，直徑Φ60 mm。中間挖了一個垂直相交的直徑Φ22 mm 的圓柱孔。第三節圓柱長138 mm，直徑Φ50 mm。上面加工有特殊螺紋，其螺距8 mm，齒厚4 mm。裝配時與螺套的螺紋形成螺紋連接。第三節圓柱右端有一個C5 的倒角。第二節和第三節圓柱之間有一個10 mm 的凹槽。

根據零件結構特點，具體的三維建模步驟如下：在草圖環境下，根據螺桿尺寸繪制各節圓柱的輪廓草圖，通過“旋轉凸臺/基體”命令生成基本實體，如圖7所示；通過“異型孔向導”命令，繪制中心孔草圖，拉伸切除形成中心孔；繪制螺紋斷面草圖，利用“掃描切除”命令，沿著螺旋線方向掃描切除生成螺紋結構。螺桿實體如圖8 所示。

圖7 螺桿草圖

圖8 螺桿實體

2.4 底座的三維建模

底座屬于箱體類零件。箱體類零件外形結構比較簡單，一般以圓形或者方形為主。內部結構比較復雜，多有各種孔、凸臺、筋板等結構。底座主體是圓柱體，共分上下兩層。下層圓柱是直徑Φ150 mm，高度20 mm的圓柱體。上層圓柱是高度120 mm，直徑Φ110 mm的圓柱體。底座里面是臺階孔，分為三層，直徑分別為Φ86 mm、Φ65 mm和Φ80 mm。第三層圓柱里面有M10 的螺紋孔。裝配時與螺套里的半個螺紋孔合成一個完整的螺紋孔，用來裝螺釘進行固定。底座內外有多個R5 的圓角，頂部有C2 的倒角。

根據零件結構特點，具體的三維建模步驟如下：在草圖環境下，根據底座尺寸繪制各節圓柱的輪廓草圖，通過“旋轉凸臺/基體”命令生成基本實體，如圖9 所示；通過倒角命令生成軸端倒角。底座實體如圖10 所示。

圖9 底座草圖

圖10 底座實體

3 螺旋千斤頂虛擬裝配和干涉檢查

通過模擬螺旋千斤頂裝配過程，利用干涉檢查，能夠讓產品設計開發人員及時發現設計過程中存在的問題，找到解決辦法，優化設計方法和提高設計效率。

3.1 虛擬裝配

螺旋千斤頂的虛擬裝配過程是：選擇新建命令，選擇裝配體模式，生成裝配體文件；選擇底座作為第一零件，以默認狀態“固定”插入到裝配體中，保證底座和裝配體的基準面重合；沿著底座軸線作為裝配干線，依次插入螺套、螺釘、螺桿、頂墊、螺釘、絞杠各個零件。插入時注意各個零件間的裝配關系和連接方式，添加平行、重合、同心或同軸等約束關系，完成螺旋千斤頂的虛擬裝配，如圖11 所示。

圖11 螺旋千斤頂虛擬裝配

3.2 干涉檢查

虛擬裝配完成后，因為人為操作的原因，裝配體中各零件的裝配位置和連接關系不一定完全準確，需要對裝配體進行干涉檢查。通過軟件工具里面的“干涉檢查”命令，干涉區域在裝配體中會高亮顯示，從而及時發現裝配體中零件錯位、重合等干涉問題。干涉檢查問題如圖12 所示。點擊裝配體中干涉零件，調整零件參數、位置和配合方式，即可快速進行修改，最終達到設計要求。干涉修改結果如圖13 所示。

圖12 干涉檢查問題

圖13 干涉修改結果

4 結語

以螺旋千斤頂為研究對象，詳細講解了典型機械零件的三維建模方法和需要注意的問題。通過虛擬裝配和干涉檢查，能夠讓產品開發人員及時發現設計過程中存在的問題，不斷修改完善，提高設計效率，降低開發成本，提升企業的競爭力。