PartDesign Lagergehäuse Tutorium II

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Dieses Tutorial wurde ursprünglich für eine inzwischen veraltete Entwicklungsversion von FreeCAD geschrieben. Seit April 2016 sind diese Funktionen in die Vorentwicklungsversion 0.17 integriert, die hier verfügbar ist.


Bitte beachte, dass sich diese Version von FreeCAD noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Außerdem muss dieses Tutorium möglicherweise aktualisiert werden. Wenn du an der Überprüfung und Aktualisierung teilnehmen möchtest, poste bitte in den Wiki Abschnitt des forum.
Lagergehäuse Tutorium - Fertiges Lagergehäuse (oben)

Wie der Warnhinweis oben auf der Seite bereits andeutet, funktioniert dieses Tutorial NICHT, es sei denn, du kompilierst einen speziellen, sehr experimentellen Zweig aus dem FreeCAD Quellcode und ist ein einführendes Tutorial zur Modellierung mit dem PartDesign Arbeitsbereich in FreeCAD unter Verwendung von Datumsebenen, die in den meisten FreeCAD Versionen noch nicht vorhanden sind. Der Zweck des Tutoriums ist es, dich in zwei verschiedene Arbeitsabläufe zur Erstellung eines Gussteils mit Entwürfen und Verrundungen einzuführen. Je nachdem, welche anderen CAD Programme du bisher verwendet hast, könnte dir das eine oder das andere vertraut sein. Als Arbeitsbeispiel werden wir ein einfaches Lagergehäuse modellieren.

Dies ist der zweite Teil des Tutoriums. Es wird der so genannte "Multikörper" Arbeitsablauf verwendet, wobei der (einfachere) obere Teil des Gehäuses als Beispiel dient.

Selbstverständlich musst du zum Durcharbeiten dieses Tutorials den PartDesign Arbeitsbereich aktivieren.

Du findest meine Version des von diesem Tutorium erstellten Teils [hier]. Die Datei ist nicht mehr verfügbar, eine neue wird zu einem späteren Zeitpunkt bereitgestellt werden.

Konstruktionsdaten

Das Gehäuse sollte in der Lage sein, ein Lager mit einem Durchmesser von 90 mm und einer Breite von bis zu 33 mm aufzunehmen (z.B. DIN 630 Typ 2308 mit einem Innendurchmesser von 40 mm). Das Lager erfordert eine Schulterhöhe von mindestens 4,5 mm im Halter (und auf der Welle). Der obere Teil des Gehäuses wird mit zwei 12mm Schrauben an der Unterseite verschraubt. Der Kopf einer solchen Schraube benötigt einen Freiraum von mindestens 20 mm Durchmesser. Auf beiden Seiten des Lagers sollte eine Nut vorhanden sein, die einen Standard-Wellendichtring DIN 3760 aufnehmen kann: 38x55x7 oder 40x55x7 auf der einen Seite, 50x68x8 auf der anderen Seite.

Das Gehäuse wird ein Sandguss mit einer Mindestwandstärke von 5 mm, einem Entformungswinkel von 2 Grad und einem minimalen Verrundungsradius von 3 mm sein.


Einrichten der Skelettgeometrie

Skizze der Skelettgeometrie

Erstelle im PartDesign Arbeitsbereich ein neues Teil. Benenne den standardmäßig erstellten Körper in Skeleton um. Dieser Körper ist wahrscheinlich bereits aktiviert, was du an der blauen Hintergrundfarbe im Formelementebaum erkennen kannst. Erstelle eine neue Skizze auf der YZ Ebene, die den Umriss der Welle, des Lagers und der Dichtungsringe enthält. Nachdem du die Skizze fertiggestellt hast, erstelle daraus ein Rotations Formelement. Dieses Skelettformelement wird später dazu verwendet, die reale Geometrie darauf zu beziehen. Das bedeutet, dass du, wenn du irgendwelche Bemaßungen ändern möchtest, nur die Bemaßungen des Skelettformelements anpassen musst, und der Rest des Teils wird entsprechend aktualisiert.

Die Skelettgeometrie


Der Hauptkörper

Skizze des ersten Polsters

Erstelle einen neuen Körper und mache ihn aktiv. Die Skizze für den ersten Block ist rechts abgebildet. Er wird auf einer Bezugsebene mit einem Versatz von 5 mm (Wandstärke) von der Skelettfläche platziert, die die Seite eines der tragenden Dichtungsringe markiert. Da alle wichtigen Maße vom Skelett abgenommen werden, gibt es nur drei Maße: Die Bearbeitungszugabe (3 mm) an der Basis als Versatz zur XY Ebene, die 5 mm Wanddicke vom Außendurchmesser des Skeletts und der Entformungswinkel von zwei Grad. Zwei erzeugen die 5mm Bemaßung, du musst zuerst den Außenkreis (Radius 45mm) der Skelettgeometrie als Außengeometrie im Skizzierer auswählen und dann eine tangential zu diesem Kreis und in einem Winkel von zwei Grad gebundene Konstruktionslinie einfügen.

Du fragst dich wahrscheinlich, warum sich am unteren Ende jedes Bogens dieses kleine gerade Segment befindet. Dieses Segment sorgt dafür, dass auf den Bögen ein Entformungswinkel von 2 Grad entsteht. Das mag nach viel Arbeit für einen sehr kleinen Nutzen aussehen, aber viele CAD Programme (und vielleicht eines Tages auch FreeCAD) haben Werkzeuge, die ein Volumenmodell in verschiedenen Farben hervorheben und dir sofort alle Flächen anzeigt, bei denen der Entformungswinkel nicht korrekt ist. Du willst nicht, dass das mit deinem Modell passiert, besonders nachdem du viele Verrundungen angebracht hast!

Das erste Polster

Wenn du die Skizze angefertigt hast (was wegen der 2 Grad Tangentiallinien etwas knifflig ist), erstelle daraus ein Polster, das sich bis zur anderen Seite der Skelettgeometrie erstreckt, wiederum mit einem Versatz von 5 mm zur Seitenfläche. du brauchst diesmal keine Bezugsebene zu erzeugen, der "bis zur Fläche" Modus des Polster Dialogs bietet die Eingabe eines Versatzes an.

Skizze für Polsterausschnitt

Als Nächstes werden wir an beiden Enden des Polsters etwas Material wegschneiden, da es für Gussteile immer ideal ist, eine möglichst gleichmäßige Wandstärke zu haben. Erstelle eine Skizze auf jeder der Stirnseiten des Polsters und bemaße sie um 5 mm versetzt zu dem Kreis, der den Lagerdichtring darstellt (Radius 27,5 mm auf der einen Seite und 34 mm auf der anderen). Erstelle für das untere Liniensegment der Skizze eine weitere externe Geometrie vom Polster und binde diese an das Polster. So hat die Skizze nur ein einziges Maß, die 5 mm Wandstärke (die Maße 150 mm und 75 mm sind nicht wichtig, solange sie groß genug sind, um sicherzustellen, dass alles weggeschnitten wird).

Das Polster mit Ausschnitten zur Erzielung einer gleichmäßigen Wandstärke

Erstelle mit der von dir erstellten Skizze eine Tasche und erweitere diese auf die Fläche der Skelettgeometrie, die das Lager darstellt, minus 5 mm Versatz für die Wanddicke. Für die zweite Tasche kannst du die Option "Ausgewähltes Objekt duplizieren" aus dem Menü Bearbeiten verwenden, um die bereits erstellte Skizze zu duplizieren (wähle, dass abhängige Objekte nicht dupliziert werden sollen, wenn die Frage auftaucht). Wähle dann die Fläche aus, auf die du diese Skizze verschieben möchtest, und weise FreeCAD an, die Skizze auf diese Fläche abzubilden (dies ist ein Punkt im Menü "PartDesign"). Nachdem du die zweite Tasche erstellt hast, kannst du das Ergebnis von unten betrachten, um zu prüfen, ob du eine einheitliche Wandstärke von 5 mm um die Kontur der Skelettgeometrie herum haben.

Neutrale Ebene für die Anwendung des Entwurfs

Jetzt ist es an der Zeit, Entwurf und Verrundungen zu erstellen. Das Entwurfsformelement erfordert eine neutrale Ebene, was bedeutet, dass die Geometrie, die von dieser Ebene geschnitten wird, an ihrem Platz bleibt, während der Rest der Fläche um den Entformungswinkel geneigt wird. Die Verwendung der Unterseite des Polsters für diesen Zweck ist keine gute Idee, da die Wandstärke im oberen Teil des Halters weniger als 5 mm betragen würde. Wir erstellen also zu diesem Zweck eine Bezugsebene, die um etwa 35 mm vom XY versetzt ist. Aktiviere den Skelettkörper und erzeuge die Ebene dort, denn wir werden sie brauchen, um den Entwurf auch auf andere Körper anzuwenden.

Erster Körper mit Entwurf und Verrundungen

Das Bild rechts zeigt den fertigen ersten Körper mit Entwurf und applizierten Verrundungen. Beachte, dass die äusseren (konkaven) Kanten einen grösseren Verrundungsradius von 5mm haben, wiederum mit dem Ziel, eine gleichmässigere Wandstärke zu erzeugen (mehr als 5mm ist nicht möglich, da dann nach der Bearbeitung der Innenseite des Halters die Wandstärke weniger als 5mm betragen würde).

Hinzufügen der Körper für die Schrauben

Die Skizze für den Körper für die Schrauben

Die Schrauben benötigen zwei zylindrische Körper auf beiden Seiten des Hauptkörpers. Am besten ist es, den 2 Grad Entformungswinkel in die Skizze aufzunehmen. Ich habe versucht, einen Zylinder zu drehen und später einen Entwurf anzuwenden, aber nach dem Spiegeln passierten seltsame Dinge, und ich konnte keine Verrundungen anbringen, weil die Oberfläche irgendwie verzogen war.

Die Skizze ist so bemaßt, dass die Rotationsachse 12 mm Abstand zum Außendurchmesser des Skelettkörpers hat, 7 mm für den Radius der Bohrung plus 5 mm für die Wanddicke. Um ein vollparametrisches Teil zu erhalten, ist es eine gute Idee, dem Skelett eine Ebene etwa 25 mm über der XY Ebene hinzuzufügen, um die Oberseite der Zylinder zu markieren. Da dies bearbeitet werden soll, wird die Skizze 3mm darüber bemaßt.


Der Körper für die Schrauben

Erstelle aus der Skizze eine Drehung und bringe an der Oberseite eine Verrundung von 4 mm an. Das bedeutet, dass nach dem Wegfräsen von 3 mm ein leichter Radius verbleibt, der hilft, eine scharfe Kante zu vermeiden, an der sich jemand beim Anziehen der Schraube in die Hand schneiden könnte.

Der Hauptkörper mit den beiden Körpern für die Schrauben

Erstelle ein boolesches Formelement, um den Hauptkörper und den Schraubenkörper zu verschmelzen. Erstelle dann einen neuen Körper für die andere Seite. Dupliziere die Skizze der Drehung, verschiebe sie auf diesen Körper und erstelle den zweiten Körper für die Schrauben (das Spiegeln eines Körpers wird noch nicht unterstützt, so dass Sie den größten Teil davon neu ausführen müssen). Verschmelze dann auch diesen zweiten Körper mit dem Hauptkörper. Abschließend bringe eine große Verrundung an der Kante an, die durch die boolesche Verschmelzungsoperation erzeugt wurde. Die größte Verrundung, die ich erreichen konnte, war 4 mm.

Aushöhlung des Hauptkörpers

The first Pad of the cut-out body inside the main body

We will now work on the inside of the holder and hollow it out to make space for the bearing and sealing rings. When doing this of course we need to keep in mind the 3mm machining allowance. Since this tutorial teaches the multi-body method, we will create the inside geometry as a separate body and then cut it out of the main body with a boolean operation.

Create a new body and make it active. First, we need a datum plane offset 3mm inside the skeleton face that shows the side of the bearing. Then, duplicate the sketch of the first Pad of the main body. It will be added to the main body, so right-click on it and choose to move it to the newly created body (this option is only available in the context menu if the PartDesign workbench is active). Map the sketch onto the datum plane (if the sketch turns upside-down after mapping, move the datum plane to the other side of the bearing, next to where the duplicated sketch is located). Now, modify the sketch so that the diameter is 3mm less than the outer diameter of the skeleton geometry that represents the bearing. All you need to do is remove the 5mm dimension, drag the sketch inside the reference circle, and create a new 3mm dimension.

The cut-out body inside the skeleton body

Next we want two more Pads to hollow out the place for the sealing rings. Duplicate the sketch of the first pad of the cut-out Body and map it to the XZ-plane. Edit the sketch and replace the external reference with the outer diameter of the bearing sealing ring. Extrude this sketch to an offset of 3mm of the side of the sealing ring. Repeat the whole process for the sealing ring on the other side.

After this we want to create two more Pads like the last two to give the shaft a clearance (e.g. 3mm) inside the holder.

The complete cut-out body (minus impossible fillets)

Now all that remains is to apply draft to the planar side faces, using the same neutral plane as for the main body, and filleting. Apply a general fillet of 3mm to all edges. You will notice that there are several edges that cannot be filleted... this is a defect of the underlying geometric kernel which FreeCAD uses.

The completed raw part of the holder (without machining)

We are ready to hollow out the main body. Select it and choose to create a new Boolean operation. Add the cut-out body to the list window and set the operation to "Cut". Put a 3mm fillet on the two edges resulting from the cut-out operation (again some edges remain that are "unfilletable"). The result should look like the picture on the right.

The raw part is now completed. This is what the holder will look like before machining. Note that since the mold will have a top and bottom half, the edge between these two cannot be filleted. Also, if you give away this model to a foundry make sure to point out that it has the dimensions after casting. The foundry will then have to apply a certain percentage of shrinkage to the model (making the digital model used to manufacture the mold larger so that when the metal cools down and shrinks after casting it will have the right size).

Spanende Bearbeitung

Sketch to "drill" the hole for the bolts

To take away the material for machining the inside of the holder, very conveniently we can use the Skeleton Body itself. If you don't want that because then the skeleton gets hidden somewhere deep in the tree, you can also duplicate the sketch of the skeleton Revolution feature and re-create the revolution in another body. This is not completely parametric, though, because the duplicated sketch is independent of the original, so you will have to work on both if you change a dimension. Dependent duplicated features might be supported in the future sometime.

For the rest of the machining, create a new Body. The bottom of the holder will be machined by a Pad sketched on the XY-plane extending downwards. Next, sketch a revolution to make a hole for the bolts. You will need to sketch on the XZ-plane and revolve it so that you can choose the outer diameter of the skeleton Body as an external reference. The top part of the sketch will serve to machine a flat place for the head of the bolt. It is dimensioned to leave at least 5mm wall thickness in the holder. If this does not give enough space for the bolt head then you can move the datum plane upwards. Of course, you could put this logic into the Skeleton, which is left as an exercise to the reader!

The machining Body

You can mirror the revolution on the YZ-axis. The picture on the right shows the "machining" Body. Of course, most of the dimensions of the Pads and Revolutions are not important as long as there is plenty of overlap.

The finished Holder with machining

Finally, create a boolean operation to cut the machining Body out of the main Body. If you want a nice visual effect, you can colour the machined surfaces differently from the rest of the part. This is also a useful optical feedback showing you whether you forgot to machine somewhere.

Teil Eins

PartDesign Lagergehäuse Tutorium I