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（1河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471000;）(2济源职业技术学院机电系，河南济源 454650）
摘 要:渐开线花键冷搓成形工艺是一种精密塑性成形加工工艺。为探索齿条形刀具的角度的变化对渐开线花键成形结果的影响，采用ANSYS软件，基于北方易初和洛阳工学院合作已经研制成功的搓挤摩托车曲柄渐开线花键的齿条形刀具，变更刀具齿形角分别进行成形过程仿真并进行结果分析比较；刀具齿数多，形状复杂且整个研究过程将需要多次进行刀具建模，若在ANSYS中建模则非常费时费力，故选择AutoCADVBA编程实现刀具的参数化绘图造型而后导入ANSYS的方法。每运行一次AutoCADVBA宏程序，即可方便快捷地得到一把不同的虚拟刀具，大大提高整个研究进程的效率，同时也为类似问题的研究提供了一种有效的参考途径。
关键词：ANSYS，建模，AutoCADVBA，效率
To improve ANSYS modeling efficiency through AutoCADVBA
DING Gang1,2,PENG Xiao-nan1
（1.Henan University of Science and Technology; Henan 471000; China; 2.Jiyuan Vocational Technical College; Jiyuan 454650; China）
Abstract:The cold rolling process for involute spline manufacture is a new precise forming process.The simulation of the forming process is very valuable.The modeling of rack-kind tools is very difficult in ansys.To rise work efficiency , AutoCAD VBA method is used to establish the geometric model. ANSYS can import the geometric model by means of software interface. All of above give the references for engineering and study application for similar projects.
Key words: ANSYS, modeling, AutoCADVBA ,efficiency
0引言
花键联结因具有定心精度高、导向性好、承载能力强的优点而在机械中获得广泛的应用。传统的铣削或插齿等范成法加工花键存在生产效率低、成本高、浪费材料、花键强度被削弱等诸多问题。论文论文参考网渐开线花键冷搓成形工艺是一种无屑滚压、精密塑性成形加工工艺，实际上就是借鉴渐开线齿轮与齿条啮合原理衍变而来的一种工艺，工作示意图如图1所示。该工艺在室温下利用上下两个齿条形刀具2的相向运动，使其间由顶尖5支撑的光轴毛坯4边转动边产生塑性变形，最终在光轴上成形出花键。依据啮合理论，花键与搓齿刀具啮合时，刀具的前后齿形角均等于花键节圆上的压力角。而在实际制造中，冷搓成形过程是金属材料的一种复杂塑性变形过程，既有塑性变形又有弹性变形，而且，在冷搓过程中，花键齿形两侧受力并不相同，若采用前后齿形角相等的刀具将会造成花键齿形不对称。
为进一步探索刀具角度的变化对于渐开线花键成形结果的影响，采用大型有限元软件ANSYS，基于北方易初和洛阳工学院合作已经研制成功的搓挤摩托车曲柄渐开线花键的齿条形刀具，变更刀具齿形角分别进行成形过程仿真并进行结果分析比较；
1. 模型简化
工程结构及其构件都占有三维空间，作用在其上的外力一般是空间力系，故在分析其应力状态的时候，必须同时考虑沿不同坐标轴的所有位移分量及应力－应变分量。但这样分析和计算工作量十分庞大，尤其对于复杂结构，一般微机或工作站甚至无法计算。考虑到工程结构及其受力状况的特殊性，在计算结果可满足工程精度要求的前提下可对问题进行降维处理。若物体是长柱体，其横截面沿长度方向不变，如图2所示，物体沿 z轴方向的尺寸远大于沿x、y轴两个方向的尺寸，物体柱面上承受平行于横截面且沿长度均匀分布的面力，而体力也平行于横截面且沿长度均匀分布，假想柱体为无限长则远离两端的部位可认为不会有沿z轴方向的位移（即位移分量w=0），而有沿x轴和y轴两个方向的位移，故沿z轴方向的正应变εz也等于零。所以对于整个物体的研究，可从物体中截取出平行于Oxy面的任一单位厚度的薄
薄片进行分析。显然薄片上任意一点的位移都将平行于Oxy面，称这种问题为平面应变问题。
考虑到花键工件轴向尺寸较大，故可处理为平面应变问题，而将三维问题简化为二维问题。在分析建模时按图3所示齿条刀具齿形图进行刀具的二维建模而不考虑其厚度，而工件的几何模型也降维处理成一个圆形。在ANSYS中的几何模型如图4所示。在此基础上即可进行后续的分网、加载及后处理等分析工作。
2. 利用AutoCADVBA开发齿条刀具的参数化绘图造型程序
由于齿条刀具齿数多，形状非常复杂（刀具齿分预成形齿、成形齿及退出齿3部分，各部分齿高各不相同），且整个研究过程将需要多次采用不同的前后刀面角度（见图3中的α1、α2）进行建模，既便采取上述的降维处理简化，若在ANSYS中建模仍然非常费时费力，给建模过程带来很大困难，故选择在绘图及编辑功能强大的AutoCAD中建模而后导入ANSYS的方法。考虑齿条刀具的齿形具有一定的规律性，采取AutoCADVBA编程的二次开发方法实现齿条刀具的参数化绘图造型。
（1） AutoCADVBA开发工具简介
AutoCAD因具备强大的二维、三维绘图、编辑功能而得到广泛的应用，而各个不同的行业、领域会有自己不同的特殊要求与标准。因此AutoCAD给用户提供了一些二次开发接口，使得用户可根据自身的工作需求对AutoCAD进行一些创造性、针对性的开发工作。其中VBA（Visual Basic for Application）开发工具，将AutoCAD和VisualBasic的强大功能结合在一起，面向对象的编程方法开发效率高且简单易学， ActiveX接口使其与其它应用程序共享数据，其语言代码完全继承了VB的特征。应用Auto-CADActiveX技术,用户可以利用VBA来操作AutoCAD的暴露对象，在AutoCAD2004中,几乎对外暴露了所有对象,包括样式设置对象、图形实体对象、组织结构对象等。VBA使AutoCAD与其它应用程序直接共享数据,在VBAIDE中,通过控件工具箱只需点击、拖动几下鼠标即可方便地建立程序图形交互界面[3]。
（2） 参数化绘图方法
参数化绘图即利用零件或产品在形状上的相似性，以基本参数作为变量，编制程序来定义图形，运行时输入基本参数后即可自动绘图。参数化绘图方式一般用于设计对象的结构形状比较定型的场合，通过合理地构思样板图和结构变形、拼接，可使一个程序覆盖较多的零件，使绘图效率大大提高[2]。
（3） 开发过程介绍
i.由AutoCAD的“工具”菜单→宏→VBA管理器建立一个新的工程，保存为“花键刀具.dvb”,点击“Visusl Basic编辑器…”进入VBAIDE。通过控件工具箱建立用户窗体及各控件对象。
针对齿条刀具的齿形特点，考虑选择刀具的前后刀面角度α1、α2及模数m为参数进行参数化编程，利用AutoCADVBA的函数和方法完成图3所示P1~P7各点的坐标计算及齿形的自动绘制工作，其中参数α1、α2及模数m可采用默认值和用户输入值，程序运行界面如图5所示，单击“齿形绘制”按钮，程序即可在AutoCAD的图形界面中完成刀具的齿形的绘制工作。
ii.考虑到齿条刀具齿数多，形状非常复杂（刀具齿分预成形齿、成形齿及退出齿3部分，各部分齿高各不相同），故整体程序化绘制极不可取，采取了交互操作和程序操作相结合的方式。在按照帮助提示完成圆角过渡R1及R2及多段线的简单交互操作之后，单击“确定”按钮，程序即可按照输入的齿数在AutoCAD的图形界面中完成刀具的全部齿形的绘制工作。限于篇幅，部分代码如下：
Private Sub CommandButton4_Click()
Dim Pt1 As Variant ""申明变量
Dim Pt2 As Variant
Dim Pt3 As Variant
……
Dim line3 As AcadLine
Dim line4 As AcadLine
Dim pi As Double
pi = 3.141592654
UserForm1.Hide ""转入交互操作
Pt1 = ThisDrawing.Utility.GetPoint(, "起点:?G")
……
l4 = CDbl(TextBox4.Text)
Set line3 = ThisDrawing.ModelSpace.AddLine(Pt6, Pt7) ""图线绘制
Set line4 = ThisDrawing.ModelSpace.AddLine(Pt6, Pt5)
End Sub
Private Sub UserForm_Initialize()
TextBox1.Value = 30# ""设置文本框的默认参数
TextBox2.Value = 30#
TextBox3.Value = 160#
TextBox4.Value = 1#
End Sub
3. 模型导入
利用软件的接口，在AutoCAD中将绘制成功的齿条刀具输出为chitiao.sat文件，在进入ANSYS后，利用菜单“File→Import…”即可导入上述生成的文件，这样齿条刀具的几何模型即可用于后继的分析操作了。
4. 结论
考虑齿条刀具的齿形具有一定的规律性，采取AutoCADVBA编程的二次开发方法实现齿条刀具的参数化绘图造型。每次改变几个参数（前后压力角、模数、齿数），运行一次AutoCADVBA宏程序，即可方便快捷地得到一把不同的虚拟刀具，利用软件的接口导入到ANSYS后即可用于后继的分析工作。这大大地提高整个研究进程的效率，同时也为类似问题的研究提供了一种有效的参考途径。在编制参数化绘图程序时，基本参数的选取非常重要，应考虑程序的覆盖性，并优先选取可体现零、部件的规格及性能等（如滚动轴承的内径、齿轮的齿数、模数、变位系数等）的参数为基本参数[2]。另外，应根据问题的实际情况处理好用户的交互操作和程序的结合问题，这样，既能可靠地解决问题，又不至于使……程序变得复杂和不实用。
参考文献：
[1]王勖成.有限单元法. 北京:清华大学出版社,2003.
[2]马军涛，丁刚..零、部件绘图的程序化[J]. 煤矿机械，2003,10:56-57.
[3]杜玉成，丁刚.利用AutoCADVBA进行机械设计开发[J].煤矿机械，2004,4:63-65.
作者简介：
丁刚（1972- ），男，河南信阳人，讲师，河南科技大学在读研究生，研究方向机械制造及其自动化.