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Inventor在模具设计中的应用
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摘要：介绍了美国Autodesk公司推出的三维机械设计软件Inventor在模具设计中的应用。以典型机械零件齿轮的建模为例，讲解了Inventor软件自动计算出齿轮的常规特性和惯性特性的方法及其在设计中的应用。
关键词：Inventor；软件；模具设计；有限元分析
目前在中国制造业CAD技术已经成为工程设计领域应用最为广泛的技术，美国Autodesk公司开发的CAD图形数字化专用软件，由于其功能强、易掌握、使用方便，二次开发性好，受到了世界各国工程设计人员的欢迎，被广泛应用于机械、建筑、电子、化工、航天、汽车、轻纺、服装、地理、广告设计等领域。
针对我省产业结构调整的实际，结合振兴老工业基地和现代装备制造基地建设的需求，加快三维CAD应用和三维造型分析计算等技术的工程化和产品化进程，为企业信息化提供强有力的技术支撑，高职学院应该发挥应有的作用。
美国Autodesk公司推出的三维机械设计软件Inventor，它与AutoCAD完全兼容。提供了独特的草绘功能、简单方便、快速智能的2Ｄ自适应布局，可以方便地从二维转换到三维，使用自动尺寸标注可以完成所有的关键尺寸标注，包含标准的机械零件库。Inventor提供了拉伸与旋转、扫掠特征与螺旋体成型方法，具有生成组合与展示、工程图与零件表、金属盒(钣金)各种各样机械类零件的功能。
Inventor具有优秀的三维设计解决方案，杰出的三维参数化尺寸驱动系统，产品零部件的各个视图和图纸数据的关联性，独特的自适应技术，优秀的工程图功能。在各种CAD软件家族中处于领先地位，一经推出就深受用户的欢迎，在计算机辅助设计领域有着较高的市场占有率。Inventor8.0是最新版本，该版本在运行速度、整体处理能力、网络功能等方面都达到了一个全新的水平。
1　在模具设计中的应用
目前塑料零部件其制品已在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中得到广泛的应用，60%～80%的塑料零部件都要依靠模具成形。用模具生产零部件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。由于塑料注射成型过程复杂，制品质量不易保证。传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具。所以采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的ＣAＥ分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。因此在模具设计中应用Inventor8 0的辅助设计功能，进行精确的分析计算，还能够用于机械零、部件的动平衡计算，能缩短设计周期，提高设计效率，便于模具结构形状和尺寸的改进。实体模型还可以在强度计算的有限元分析中再次使用，实施优化设计。
本文以齿轮为例，对齿轮进行优化设计。由于齿轮形状比较复杂，以往在进行计算时通常采用图解法计算其体积、质量和重心，即先将齿轮划分成若干近似规则形状的小块，分别计算各小块的体积、形心，再将其迭加后得到整个齿轮的体积和形心。这样做费时费力，并且计算结果受到作图精度的影响较大。为了提高设计效率，笔者应用Inventor8.0软件对齿轮进行三维实体造型，并用软件的辅助计算功能得出整个齿轮的体积、质量和重心等几何特性，从而提高了计算的精度和设计效率，并且便于塑料注射量的计算和模具结构的合理改进。因此有效地运用Inventor8.0的辅助设计功能，从而取得了简洁、高效、精确的设计效果。
2　设计步骤
齿轮是最常用的机械零件，应该根据齿轮参数和精度等级来绘制齿轮。
2.1　根据齿轮尺寸构建二维草图，建立尺寸之间的参数关系表
(1)在参数表中用户参数表内添加4个参数：
齿数=39、模数M=4mm、齿形角A=20°、齿厚=35mm，并且根据需要设置参数的值和单位，如图1所示。

（图片）

2)用草图面板命令绘制齿形轮廓辅助线：
选择“圆心\半径”绘制齿根圆d1=R83，分度圆d2=R78，齿顶圆d3=R73。
分度圆=模数M×齿数Z；齿根圆=模数M×齿数(Z-2 5)；齿顶圆=模数M×齿数(Z+2 5)。
选择“直线”命令，根据节距P=M×π，画垂线计算出分度圆齿厚d4=6.28mm。
绘制压力角切线，如图2所示。

（图片）

(3)绘制齿形截面轮廓：
使用草图面板“三点圆弧”画齿形截面轮廓线，使轮廓线与压力角切线和分度圆交点a相切应用“镜像”、“修剪”、“延伸”进行修改后获得如图3所示。

（图片）

2.2　三维造型设计
完成齿形截面轮廓后，基于草图特征做三维造型设计，进行三维拉伸，如图4所示。

（图片）

2.3　初步完成齿轮设计
作圆角特征完成齿轮如图5所示。
对齿根圆与齿形的交线进行圆角，输入圆角半径R=1.52。
对齿顶圆与齿形的交线进行圆角，输入圆角半径R=0.38。

（图片）

2.4　作三维阵列，完成全部齿形的绘制
绘制凸台R=32.5MM，根据国家标准绘制花键孔，如图6所示。

（图片）

2.5　利用软件中的相关工具查询、计算整体齿轮的体积、质量和重心
下拉菜单“文件”\“零件特性”，打开“特性”对话框，选取选项卡“物理属性”，在材料对话栏中选择“ABS”塑料，软件自动计算出齿轮的常规特性和惯性特性，如图7所示。
3　结论
通过以上实例我们可以看出，制造业不断涌现的新技术、新工艺诸如精密模具加工等对CAD技术提出了新的要求。同时参数化造型设计、建模与修改的灵活性和有限元分析等对CAD软件的特性与功能也提出了愈来愈高的要求。
3.1　参数化造型
Inventor的参数化造型是通过参数、尺寸关系和参考元素的方法把零部件设计意图融入计算机辅助设计模型的强有力的工具。
在设计中首先建立用户参数表，输入齿数、模数、齿形角和齿厚等参数。当需要建立一个新齿轮时，只要在参数表中修改参数值，然后进行更新操作，系统将自动生成一个新的齿轮模型。
3.2　建模与修改的灵活性
Inventor提供了强大的建模功能，它是一个三维机械设计网络软件，与传统的CAD软件相比较，可以在部件环境中在位创建零件和修改零件。在建立有多个零件的部件时，使用Inventor自适应技术完成的零件可以自动调整大小和位置，建立起零件之间的装配关系，能够进行复杂模具的装配。
3.3　有限元分析
直接使用Inventor软件的材料库，选取所需的材料，对三维零件模型的常规特性和惯性特性自动进行计算。同时结合有限元分析软件如(DynamicDesigner，VisualNastranFEA)，可以对复杂的机械系统进行完整的运动学和动力学仿真。能够计算出机械系统零件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力，还可以作出零件的强度和结构分析。 11/29/2004

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