如何设计冷却风扇并优化模型

风扇一般安装在散热器后面，并与水泵同轴。风扇的作用是提高流经散热器的空气流速和流量，以增加散热器的散热能力。当风扇旋转时吸进空气，使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。风扇的扇风量主要与风扇直径、转速、叶片形状、叶片数等有关。目前，冷却风扇主要有图4-45所示的三种形式。本节主要设计第三种，讲解它的设计思路及所用命令，使读者对创成式曲面设计有进一步的了解和掌握。

图4-45 风扇的形式

a）叶尖前弯的风扇 b）尖窄根宽的风扇 c）尼龙压铸整体风扇

与前面的设计相同先考虑冷却风扇的制作流程，如图4-46所示。

图4-46 冷却风扇制作流程

本实例主要使用了“曲面工具栏”的“填充”命令、“桥接”命令、“拉伸”命令黑三角下的“圆柱”命令；“线架工具栏”的“点”命令、“样条线”命令、“投影”命令、“圆”命令，以及其黑色三角下的“圆角”命令；“操作”工具栏下的“分割”命令。当然还有继续对草图设计模块命令的学习和使用以及“零件设计模块”部分命令的练习使用。

第一步：圆柱面的建立。单击“圆柱”命令，参照弹出的图4-47所示对话框进行设计。“点”栏右键选择“创建点”，点的坐标（0，0，0）；“方向”栏右键选择“Z部件”；“参数”栏中，“半径”输入44mm，“长度1”输入8mm（Z轴正方向），“长度2”输入20mm（Z轴负方向），其中的“镜像范围”以及“反转方向”与“零件设计模块”中的“凸台”命令的使用方式相同。到目前为止，相信读者自己已经掌握它的具体用法了，最后单击“确定”按钮，完成“圆柱1”。

图4-47 圆柱定义对话框

第二步：填充面的建立。空间建立圆，单击“圆”命令，在XY平面以坐标原点为圆心，以44mm为半径建立“圆1”。然后单击“填充”命令，按照弹出的图4-48所示对话框进行设置。“边界”栏在特征树上选择“圆1”，最后单击“确定”按钮，完成填充1，如图4-48所示。

图4-48 填充定义对话框

（*：“填充”命令，可以填充由众多线组成的封闭区域，在选择线的时候要注意按照一定的顺序选择顺时针或者逆时针，如果想删除某条选中的线可以单击“边界”窗口下面的“移除”按钮，当然也可以在选中的某条线之前或者之后进行添加线，通过按钮调节即可，比较简单，读者自己操作即可明白。需要注意的是“填充”命令不仅可以填充在同一个平面内的封闭曲线，也可以填充空间的封闭曲线，读者可以依次选择4.2.2节中案列二的4条圆弧，则可以在空间建立一个光滑的曲面，如图4-49所示，所以说“填充”命令很灵活。）

图4-49 空间填充曲面

第三步：圆柱面的建立。与第二步方式相同，建立圆柱面。“半径”输入135mm，“长度1”输入20mm（Z轴正方向），选中“镜像范围”，单击“确定”按钮，完成圆柱2的设计。

第四步：绘制叶片两端轮廓草图。选择ZX平面进草图，参照图4-50绘制草图1，并添加约束，完成后退出草图。再次选择ZX平面进草图，参照图4-51绘制草图2，并添加约束，完成后退出草图。

图4-50 草图1

图4-51 草图2

第五步：对草图1进行投影，投影到“圆柱面1”上。单击“线架工具栏”的“投影”命令，按照弹出的如图4-52所示对话框进行设置。“投影类型”栏，选择“沿某一方向”；“投影的”在特征树上选择“草图1”；“支持面”在特征树上选择“圆柱面1”；“方向”右键选择“Y部件”；同时不要选择“近接解法”（近接解法的意思是投影时，如果同时有多个投影出现，则保留距离原草图最近的一个。而此步中，由于草图1在圆柱1的中性面上，所以沿Y轴正负方向的两个投影距离草图1的距离是相等的，无法区分远近，所以不选择“近接解法”），单击“确定”按钮。由于两个投影存在，所以系统接着弹出“多重结果管理”对话框，如图4-53所示，设计者可以根据实际情况进行选取，本实例选择第二个“使用提取，仅保留一个子元素”，单击“确定”按钮。系统接着弹出“提取定义”对话框，如图4-54所示，“拓展类型”选择“点连续”；“要提取的元素”，在工作窗口鼠标左键选择Y轴正方向一侧的投影，如图4-55所示，最后单击“确定”按钮，完成“提取1”的建立。

图4-52 “投影定义”对话框

图4-53 “多重结果管理”对话框

图4-54 “提取定义”对话框

图4-55 提取的投影元素

第六步：对草图2进行投影，投影到“圆柱面2”上。投影方式与第五步完全相同，也是提取投影到“圆柱面2”上的在Y轴正方向一侧的投影线，完成“提取2”的建立。

第七步：对“提取1”和“提取2”进行桥接。单击“桥接”命令，弹出如图4-56所示的对话框。对话框的“第一曲线”栏，在特征树上选择“提取1”；“第二曲线”栏，选择“提取2”，然后单击“确定：按钮，完成“桥接1”，如图4-56所示。

图4-56 桥接曲面定义对话框

（*：在创成式曲面的设计中，对于某些点、线、面如果不再使用时，可以进行隐藏，比如，截至到第七步完成，就可以按住<Ctrl>键在特征树上依次选择“圆1”、“圆柱面2”、“草图1”、“草图2”、“提取1”和“提取2”，右键选择“显示/隐藏”，将它们隐藏，使工作窗口中的模型便于观察和捕捉。对于图中视图的黑色边线显示与否可以通过水平工具栏中的“视图工具栏”中的“着色”调节。）

第八步：对叶片进行倒圆角修饰。在4.2.1的“案例一”中已经使用过“圆”命令黑色三角下的“圆角”命令，但是“圆角类型”选择的是“支持平面”，本实例是对空间的线进行倒圆角。单击“圆角”命令，弹出如图4-57所示对话框，按照图示对话框进行参数设置。“圆角类型”选择“3D圆角”；“元素1”选择图4-57所示模型上“桥接1”的边；“元素2”选择“桥接1”的与“提取2”相合的那条边；“半径”输入8mm，单击“确定”按钮，完成“圆角1”的设计。同样的方式对另一侧的两条边进行3D倒圆角，得到图4-58所示的半径10mm的“圆角2”。

图4-57 3D圆角定义对话框

图4-58 3D圆角

第九步：3D圆角投影。第八步所做的倒角，并不在“桥接1”曲面上，所以还需要将“圆角1”和“圆角2”投影到“桥接1”上。这次的投影和第五步、第六步的投影在投影类型上有区别。单击“投影”命令，在弹出的对话框中按照图4-59进行设置。“投影类型”选择“法线”；“投影的”栏，在特征树上选择“圆角2”；“支持面”选择“桥接1”；将“近接解法”选中，然后单击“确定”按钮，完成“投影3”。同样的方式，完成“圆角1”的“投影4”。

图4-59 法线投影设置

第十步：用分割命令对“桥接1”进行分割。单击“分割”命令，弹出分割定义对话框，如图4-60所示。“要切除的元素”栏，在特征树上选择“桥接1”；“切除元素”栏，在特征树上选择“投影3”和“投影4”，与“修剪”命令相似，当系统默认的切除元素不是真正想保留的元素时，可以通过单击“另一侧”来调整，得到图4-60所示的分割模型时，单击“确定”按钮，完成“分割1”的建立。

图4-60 “分割定义”对话框

第十一步：空间样条曲线点的建立。要建立空间样条曲线，首先要在空间建立点。单击“点”命令，弹出“点定义”对话框，与前面讲过的点的建立不同。“点类型”选择“曲线上”；“曲线”选择图4-61所示的边；“与参考点的距离”选择“曲线上的距离”；“长度”输入-20mm；“参考”点选择图4-61直线右侧图中所指的端点；方向不符合的可以通过“反转方向”来调整，完成后单击“确定”按钮，完成“点2”的建立。

同样的方式建立“点3”，曲线选择图4-62所示的曲线，“长度”输入10mm，单击“确定”按钮完成“点3”的建立。

图4-61 “点定义”对话框

(www.xing528.com)

图4-62 点3

单击“点”命令，建立“点4”，如图4-63所示。“点类型”选择“曲面上”；“曲面”在特征树上选择“分割1”；“方向”选择“X部件”；“距离”输入-5mm（X负方向）；“参考点”选择“点2”，单击“确定”按钮，完成“点4”的建立。

第十二步：空间样条曲线的建立。单击“样条线”命令，弹出“样条线定义”对话框，如图4-64所示。依次在特征树上单击“点2”、“点4”、“点3”，如图所示，单击“确定”按钮，完成“样条线1”的建立。

图4-63 “点定义”对话框

图4-64 “样条线定义”对话框

（*：在选择样条曲线点时，如果选错，可以单击“移除点”，将点移除；如果漏选可以通过单击“之后添加点”或者“之前添加点”，在选中的点之前或者之后添加；同样也可以对现有的点进行替换，单击“替换点”。）

第十三步：样条曲线投影。与第九步相同，第十二步建立的“样条线1”并不在“分割1”上（原“桥接1”曲面），所以要将其投影到“分割1”上，命令使用同第九步，得到“投影5”。

第十四步：分割。用“投影5”对“分割1”进行分割，得到图4-65所示的“分割2”。

（*：到目前为止，可以将某些元素进行隐藏，如“圆角1”、“圆角2”、“投影3”、“投影4”、“点2”、“点3”、“点4”、“样条线1”和“投影5”。）

第十五步：加厚曲面。单击菜单栏“开始”—“机械设计”—“零件设计”，单击“基于曲面的特征”工具栏（见图4-66）中的“厚曲面”命令，弹出图4-67“定义厚曲面”对话框。“要偏移的对象”在特征树上选择“分割2”；“第一偏移”和“第二偏移”各输入1.5mm，单击“确定”按钮，得到图4-68所示的加厚叶片，即“加厚曲面1”。

图4-65 分割2

图4-66 “基于曲面的特征”工具栏

图4-67 “定义厚曲面”对话框

图4-68 加厚曲面1

第十六步：对“圆柱面1”进行加厚。“第一偏移”输入2mm；“第二偏移”输入3mm，单击“确定”按钮，完成“加厚曲面2”，如图4-69所示。同理对“填充1”进行加厚，“第一偏移”输入2mm；“第二偏移”输入3mm，单击“确定”按钮，完成“加厚曲面3”，如图4-70所示。

图4-69 加厚曲面2

图4-70 加厚曲面3

（*：此处应将特征树上“加厚曲面3”之前所有的元素都隐藏，隐藏后发现模型如图4-71所示，读者可以和图4-70比较，发现图4-70中的黑线是创成式曲面的边界。）

第十七步：环形阵列。对叶片进行环形阵列。单击“矩形阵列”命令黑色三角下的“圆形阵列”命令。弹出“定义圆形阵列”对话框，如图4-72所示。在“轴向参考”选项卡中的各参数按照图进行定义。“参数”选择“实例和角度间距”；“实例”输入6；“角度间距”输入60deg；“参考元素”右键选择“Z轴”；“要阵列的对象”在特征树上选择“加厚曲面1”，单击“确定”按钮完成“圆形阵列1”，如图4-73所示。

图4-71 隐藏曲面后的模型

图4-72 圆形阵列定义对话框

图4-73 环形阵列1

（*：在环形阵列参考方向的选择时，当选择的是圆柱模型的轴线的时候，可以单击“参考元素”一栏，变成蓝色，然后把鼠标放到圆柱的侧面，则窗口会显示该圆柱的母线，此时单击鼠标左键即可，则参考方向即为圆柱母线，同时也一定要注意“要阵列的对象”，不要忘记在特征树上选择真正要阵列的特征。如若要阵列的对象在径向方向还有特征的时候，则单击“轴向参考”右侧的“定义径向”选项卡，相信读者自己可以操作明白，在此不再赘述。

第十八步：对图4-74所示的边进行倒圆角。用“倒圆角”命令，进行倒角，倒角半径是5mm。单击“倒圆角”命令，弹出如图4-75所示对话框，按照图进行设置，需要注意的是，在“要圆角化的对象”一栏，可以在模型上依次单击要倒角的叶片的6条边，选中后显示红色，且“要圆角化的对象”显示“6元素”，单击“确定”按钮完成“倒圆角1”。

图4-74 倒圆角边

图4-75 多条边倒角定义对话框

第十九步：凹槽除料。选择“加厚曲面3”的上表面，进草图，绘制圆心在坐标原点，直径是24mm的圆。退出草图，用“凹槽”除料，类型选择“直到最后”，得到图4-76所示的“凹槽1”。再次选择“加厚曲面3”的上表面，进草图，绘制图4-77所示的草图，添加相应约束，退出草图，仍使用“凹槽”命令，进行除料，完成“凹槽2”，如图4-78所示。

图4-76 凹槽1

图4-77 草图约束

第二十步：对“凹槽2”进行环形阵列。方式与第十七步完全相同，只是“实例”输入4；“角度间距”输入90deg；“参考方向”可以右键选择“Z轴”或者将鼠标放到“凹槽1”的圆柱孔的侧面，等到出现轴线时，单击鼠标左键；“要阵列的对象”在特征树上选择“凹槽2”，单击“确定”按钮，完成“环形阵列2”，如图4-79所示。

图4-78 凹槽2

图4-79 环形阵列2

最后对案例进行必要地保存，保存类型是CATShape。

至此，完成冷却风扇的设计，通过这一实例，更能够很好地体现出曲面的作用，模型最终都是转换成实体，所以曲面是辅助设计模块。由曲面建立的模型，最终都是通过零件设计模块的“基于曲面的特征”工具栏（图4-66）转换成实体。也进一步说明了CATIA的各个模块是可以互换的。