一、前言

　　波狀螺桿是最早由美國HPM公司A.Kruder等人提出，后來在美國及其他國家發展起來的一種塑料混合異型螺桿。所謂波狀螺桿就是在常規全螺紋螺桿上用一波狀段代替全螺紋段，如圖1a所示。波狀螺桿的特點是兩個相鄰螺槽的底徑相等，但卻是偏心的，而且偏心距相等，并與螺桿軸線對稱。由于螺槽深度沿軸向呈波浪形周期性地變化，所以預塑時物料受到強擠壓和強剪切作用，從而提高塑料擠出機、注塑機的混合能力。有的波狀螺桿主要能提供分布混合，有的波狀螺桿既有分布混合能力，也有分散混合能力，波狀螺桿被廣泛應用于塑料加工工業。

　　對螺桿進行精確的幾何建模，不僅是塑料擠出機、注塑機有限元分析、工作運動仿真和虛擬樣機建立等設計工作的必要前提，也是異型螺桿數控加工自動編程的前提。相對普通螺桿，波狀螺桿結構較為復雜，本文針對波狀螺桿的典型結構，運用參數化技術，探討采用SolidWorks軟件對波本文根據波狀螺桿的結構特征，在形體分析的基礎上對波狀螺桿進行參數化建模，介紹了SolidWorks波狀螺桿參數化建模的過程和技術要點，探索了參數化技術在螺桿快速設計、系列設計及變形設計中的應用。狀螺桿進行快速設計、系列設計及變形設計的建模方法，也適合于其他螺桿類零件的設計建模。

　　二、螺桿的參數化設計步驟

　　1.螺桿分段及參數設定

　　應用形體分析法把波狀螺桿(如圖1a)分解成由螺桿尾、螺槽結構(如圖1b)、螺棱結構(如圖1c)及螺桿頭四個分段。螺桿分段的目的是為了達到簡化復雜異型螺桿參數化難度的目的，其中螺紋特征主要有等距、變距、單線、多線等幾種形式，深度特征主要有等深、變深、波浪等幾種形式。以如圖1a波狀螺桿為例，參數如表所示。

　　2.螺桿分段模型建立

　　用SolidWorks軟件建立螺桿分段實體模型，零件中的草圖繪制要標全尺寸，并要完全約束。

　　3.定義螺桿分段的參數

　　在SolidWorks中顯示尺寸及其名稱，將模型原始的尺寸名稱改為與螺桿參數相符或具有一定意義;然后對部分尺寸根據設計要求建立尺寸關聯(軟件中顯示為“∞”)和方程式(軟件中顯示為“∑”);最后把不需要顯示的尺寸進行隱藏，僅顯示參數化中需要用到的尺寸。

　　4.螺桿的拼裝設計

　　由于異型螺桿的結構普遍比較復雜，直接在“零件模塊”進行螺桿參數化設計，存在較大難度，也不利于精確造型和參數化的實現。可以采用從“零件”到“裝配”再由“裝配”模式下“派生零部件”的方法得到螺桿零件，由于SolidWorks的“零件模塊”、“裝配模塊”、“工程圖模塊”及“派生零件”之間存在關聯，所以這種設計方法特別適合結構復雜的螺桿建模，便于復雜螺桿的參數化結構修改和螺桿系列零件設計。

　　三、螺桿參數化建模實例

　　1.螺棱結構參數化建模

　　螺桿的參數化關鍵是螺棱結構的參數化，在SolidWorks軟件里做螺棱結構首先要生成路徑草圖(螺旋線)和截面草圖(法向截面或軸向截面)，然后用“掃描”命令來生成螺棱結構。螺棱結構的參數定義如表所示，圖2為幾種常見的螺紋結構。

　　2.螺槽結構參數化建模

　　普通螺桿的螺槽特征(等深、變深)參數化建模比較簡單，波狀螺桿精確建模的另一關鍵是波狀段螺槽特征的建模。波狀螺桿有“單波”和“雙波”之分，如圖3所示。單波型螺桿的螺槽深度變化是在同一條螺槽中進行的，雙波型螺桿的螺槽分兩部分，兩部分螺槽深度各自按一定的規律周期地變化，二者之間有一定的相位關系，雙波型螺桿可以分成兩種形式，附加螺紋的雙波狀螺桿和無附加螺紋的雙波狀螺桿。單波段深度特征參數化定義如圖4所示，主要參數有：螺桿直徑D，波谷深度Hv，波峰深度Hp，導程Ph，波段長度L。O、O1、O2分別為螺桿、上波、下波的軸心位置，由于波段螺旋線本身要具有一定的連續性，根據圖3b可以得出這樣的結論：A、B兩點位置是上下波段的螺旋路徑組合的結合點，我們取其中一個作為單波螺旋的起點和終點，這里取A點，因此θ1就是下波螺旋的起始角，θ2為上波螺旋的起始角，兩者軸向的距離差為一個導程。單波段的三維建模方法如下。

　　①繪制圖3b的草圖，并標注參數尺寸D、Hp、Hv、θ1、θ2，其中θ1、θ2為從動尺寸，保留該草圖，作為后續建模參照。

　　②重新建模后，提取上波浪輪廓，以上波為底圓，生成一個螺距的螺旋線。選取螺旋線起始角度與參照草圖中的θ2角度，使用“連接數值”命令使兩角度相等，可以省略角度方

　　程計算。以該螺旋線為路徑，生成一個螺距的上波特征。

　　③建立一新草圖繪制平面，以距離上波草圖的平面距離為一個導程，提取下波輪廓，以下波底圓，生成一個螺距的螺旋線，同樣把螺旋線起始角度與參照草圖中的θ1進行“連接數值”使兩角度相等。以該螺旋線為路徑，生成一個螺距的下波特征。由于兩個螺旋有偏心而螺線參數相同，所以會有相互重疊和分離現象，但被螺棱覆蓋后不影響螺桿的整體建模。

　　④用“移動/復制實體”命令，設定間距為2倍導程，根據長度要求，復制若干個波段。

　　⑤切除兩頭多余部分，對兩個波浪交界處進行過渡處理，定義參數化尺寸，最后完成圖3a單波深度特征的參數化建模。

　　雙波段深度特征參數化定義如圖5所示，主要參數有：螺桿直徑D，波谷深度Hv，波峰深度Hp，導程Ph，雙波段長度L。其建模方法如下。

　　①繪制圖4b草圖，標注參數尺寸，保留該草圖，作為后續建模參照。

　　②提取“下波”輪廓，拉伸“下波”圓柱。

　　③提取“上波”輪廓，以此為基圓，制作一螺旋線為路徑，穿透該螺旋線做一寬度為二分之一導程的截面，用“掃描切除”命令去除“下波”圓柱中多余的材料。

　　④提取“上波”輪廓，以此為基圓，制作一螺旋線為路徑，穿透該螺旋線做一寬度為二分之一導程的截面，用“掃描”命令添加“上波”特征。

　　⑤切除兩端多余部分，設定方程式和關聯尺寸，完成如圖5a的雙波深度特征的參數化建模。

　　3.螺桿段裝配拼裝

　　在建立所有螺桿結構段模型的基礎上，進行螺桿的裝配設計，具體步驟如下。

　　①在零件設計模式下，從模型庫中提取需要的螺桿段結構，由于螺桿段已經有了完整的參數定義，所以只要輸入相應的尺寸就可以生成所需要的分段結構。

　　②在裝配模式下，把螺桿段裝配成如圖1所示的裝配體，檢查合格后，利用“連接”命令，把所有零件連接成一個零件，用“派生零部件”命令派生出一個新的波狀螺桿零件，這樣就完成了如圖1a所示的雙波狀螺桿的設計。

　　四、結束語

　　本文在形體分析的基礎上，通過對波狀螺桿的分段特征參數化建模，最終實現了各種波狀螺桿的參數化裝配設計，且模型正確無誤。限于篇幅，沒有敘述更多種類波狀螺桿的參

　　數化建模過程。相同種類的螺桿，變化大多只是結構尺寸，采用參數化方法建模設計不僅可以節省時間，還便于實現系列化設計和變異設計。

　　本文螺桿零件模型的建立方法，是一個從“零件”到“裝配”再到“零件”的過程，能有效解決由于螺桿結構的復雜性所帶來的建模困難問題，同時利用SolidWorks強大的黃金伙伴軟件可以使螺桿的CAD/CAE/CAM技術應用更加方便。