基于Solidworks的特殊截面弹簧的造型思路

摘    要：以Solidworks中一般圆柱螺旋线不能直接生成异型截面弹簧的问题，以矩形弹簧和三角形弹簧为研究对象，分析了在Solidworks中造型异型弹簧的方法和步骤，详细说明了扫描圆柱螺旋面的两种方法，论述了拉伸异型截面曲面、求交叉曲线等步骤中的关键技巧，此方法可以对此类零件造型起到举一反三的作用。

关键词：弹簧;特殊截面;Solidworks;

0 引言

弹簧是机械、电子等行业常用的一种零件，当它受力的时候，可以把机械能转化成变形能，当外力消失的时候，又能把变形能转化成机械能或者动能，从而起到控制运动、减震、储能、测力等作用。

弹簧根据使用场合和要求，可以分为很多种，其中如果按形状可以分为螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、异型弹簧等。

螺旋弹簧最为常见，在Solidworks中，制作圆柱螺旋弹簧，一般是以圆形为草图生成圆柱螺旋线，然后再以圆柱螺旋线作为引导线进行曲面扫描来完成，但是，有些场合的弹簧，并不是圆柱螺旋形的弹簧，而是带有异型截面的弹簧，如图1所示，例如：三角形弹簧、梯形弹簧、矩形弹簧等或者其他不规则形状的弹簧，这些弹簧并不能简单的在圆柱螺旋线基础上扫描而成。以矩形弹簧和三角形弹簧为例，论述了这类异型截面的弹簧的制作方法以及关键的操作技巧。这类带有异型截面的弹簧零件的造型都可以根据本文的方法，举一反三设计造型。

1 矩形弹簧的制作方法

Solidworks中对于异型弹簧可以通过扫描螺旋面、拉伸异型曲面、求交叉曲线、扫描曲面得到。

1.1 螺旋面的制作

螺旋面的制作方法有两种。

方法一：利用圆柱螺旋线作为引导线来扫描曲面。具体步骤为，在上视基准面上做一个直径为120 mm的圆，作为草图生成圆柱螺旋线，螺旋形的螺距为15 mm，圈数为10圈，如图2-1所示；在上视基准面或者前视基准面上画一条水平直线，直线长度要大于120 mm，即圆的半径；以直线为轮廓，螺旋线为路径，扫描曲面，如图2-2所示，得到螺旋面。

图1 异型弹簧 

图2 螺旋线引导做螺旋面 

方法二：利用直线作为引导线来扫描曲面。具体步骤为，在上视基准面和前视基准面上分别画条直线。竖直直线高度即为弹簧高度150 mm，如图3所示；运行拉伸曲面命令，在编辑框的选项中，轮廓方位选“随路径变化”，轮廓扭转选“指定扭转值”，扭转控制选“圈数”，方向1输入“15”[1,2]；确定后也可以生成同方法一得到的螺旋面。

1.2 拉伸异型曲面

首先在上视基准面上绘制异型弹簧截面的形状作为草图，例如矩形。

然后运行拉伸曲面命令，得到一个异型截面的拉伸曲面，方形的拉伸曲面，如图4所示。

图3 直线引导做螺旋面 

图4 拉伸矩形曲面 

1.3 求交叉曲线

运行交叉曲线命令，在设计树曲面实体中选择前面两步得到的螺旋面和拉伸得到的矩形曲面，如图5-1所示，确定后得到这两个曲面的交线即异型截面的螺旋线，如图5-2所示。隐藏产生交叉曲线的两个曲面以及引导线后，得到矩形的螺旋线，这也是本文扫描矩形弹簧的引导线。

1.4 扫描得到异型弹簧

以图5-3所示的矩形螺旋线为引导线，以圆形为轮廓线，运行扫描曲面，得到最终的如图1所示的矩形弹簧。

图5 交叉曲线 

2 三角形弹簧制作方法

三角形弹簧的制作方法和矩形弹簧制作方法类似，区别在于第二步。

由于它的截面形状是三角形，所以在上视基准面上绘制三角形草图，如图6所示。

然后以三角形草图为基础拉伸曲面；求出交叉曲线如图7所示；扫描得到三角形弹簧如图1所示。

3 异型弹簧的制作步骤

1）制作螺旋面，可以用圆柱螺旋线作为引导线，也可以用直线作为引导线。

图6 三角形弹簧的拉伸曲面 

图7 求三角形弹簧的交叉曲线 

2）制作拉伸曲面，拉伸曲面的草图即为异型截面弹簧的截面形状，如三角形、矩形、梯形或者其他不规则形状多边形等。

3）运行交叉曲线，求出步骤1和步骤2产生的螺旋面和拉伸曲面的交线，即3D草图曲线，这个3D草图曲线也是后续弹簧扫描的引导线。

4）以步骤3中的异型截面螺旋线作为引导线，以圆形作为轮廓，运行扫描曲面命令，即可得到异型截面的弹簧。

4 异型弹簧制作技巧

1）为了求交叉曲线，三角形或者矩形草图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时候，草图直线定义长度或者螺旋线的基圆直径，取值要超过异型截面草图大小。

2）以直线为引导线产生螺旋面时，直线的高度即为弹簧的高度，后续弹簧节距值和圈数的乘积等于这个高度值。

3）以螺旋线作为引导线时，扫描螺旋面时，应选择双向扫描。

4）拉伸曲面的高度要高于螺旋曲面的高度，否则得到的弹簧高度会小于设计需要的高度。

5 结语

本文以矩形弹簧和三角形弹簧为例，论述了这类弹簧造型的一般方法：由于异型截面弹簧的截面不同，所以应先根据截面形状画出不同形状的草图，然后拉伸成异型截面的曲面，共性的方法就是不管什么形状的截面，都必须生成一个圆柱螺旋面，求出这个圆柱螺旋面和异型截面曲面的3D交线，最后把这条3D交线作为扫描弹簧曲面的引导线。本方法核心是拉伸不同截面形状的曲面。

参考文献

[1] 牛瑞利.基于Solidworks的可变节距圆柱螺旋弹簧参数化系列建模[J].价值工程，2018(31):161-162.

[2] 上官林建.Solid Works三维建模及实例教程[M].北京：北京大学出版社，2009.

文章来源机械管理开发. 2023,38(09)