PartDesign Bearingholder Tutorial I/it

Prima parte del tutorial per creare un supporto per cuscinetto con PartDesign


Questo è un tutorial introduttivo alla modellazione con l'ambiente di lavoro PartDesign in FreeCAD. Lo scopo di questo tutorial è quello di presentare due differenti flussi di lavoro per creare un pezzo di fusione, con sformi e raccordi. Secondo quali altri programmi CAD si sono utilizzati, uno o l'altro metodo potrebbe esservi familiare. Come esempio di lavoro viene modellato un semplice supporto per cuscinetto.

Questa è la prima parte del tutorial. Usa il flusso di lavoro che può essere chiamato del "corpo unico", in questo esempio si utilizza solamente la parte superiore del supporto.

Ovviamente, per seguire questo tutorial è necessario attivare l'ambiente PartDesign.

Dati di progetto
Il supporto deve essere in grado di contenere un cuscinetto di 90 mm di diametro con una larghezza fino a 33 mm (ad esempio, DIN 630 tipo 2308). Il cuscinetto richiede un'altezza alla spalla di almeno 4,5 mm nel supporto (e sull'albero). La parte superiore del supporto è imbullonata al fondo con due bulloni di 12 mm. A fianco del cuscinetto ci deve essere una scanalatura su entrambi i lati capace di contenere un anello di tenuta standard dell'albero DIN 3760: 38x55x7 o 40x55x7 su un lato e 50x68x8 sull'altro lato.

Il supporto è un getto con uno spessore minimo della parete di 5 mm, uno sforno con un angolo di 2 gradi e un raggio minimo di raccordo di 3 mm.

Impostazione della geometria di scheletro


La geometria scheletro serve per catturare le dimensioni su cui si basa la progettazione in una singola funzione di Riferimento (ad esempio un piano o un asse). Quando variano le dimensioni del progetto, tutto ciò che si deve fare è di cambiare le funzioni dello scheletro. Se il modello è ben costruito, allora tutte le sue funzioni sono ricalcolate e riflettono le modifiche del progetto. Questo riduce il pericolo che in un modello complesso, in cui le dimensioni di base del progetto sono utilizzate in più posti, si dimentichi di cambiarle da qualche parte.

L'alternativa alla geometria scheletro è quella di avere una tabella delle dimensioni base del progetto che assegna un nome simbolico ad ogni dimensione, e poi utilizzare il nome simbolico ovunque sono richieste le dimensioni per costruire il modello. FreeCAD non permette ancora questo approccio.



Nel caso del supporto del cuscinetto, le due dimensioni di progettazione più importanti sono la distanza tra i bulloni (che limita la grandezza del cuscinetto che può essere utilizzato) e l'altezza delle teste dei bulloni. Le dimensioni scelte sono
 * Distanza tra i bulloni: raggio del cuscinetto (45) + spessore parete (5) + raggio del foro per il bullone (7) = 57 mm, per cui il piano verticale sarà scostato (offset) di 57 mm dal piano YZ. Per creare questo piano di Riferimento, selezionare il piano YZ e poi scegliere di creare un nuovo piano di Riferimento. Inserire l'offset nella finestra di dialogo che si apre quando si crea il piano
 * Altezza delle teste dei bulloni: questo piano è stato scelto con un offset di 28 mm dal piano XZ

Per comodità, possono essere creati due ulteriori piani di riferimento per riflettere la quantità di materiale che deve essere asportata dai fianchi del supporto del cuscinetto. Essi sono scostati di +22 e -22 dal piano XY.

Si consiglia di dare dei nomi esplicativi alle geometrie dello scheletro. Spesso si vuole disattivare la visibilità dei piani di riferimento, perché ingombrano lo schermo, e se i piani hanno nomi auto-esplicativi si possono semplicemente selezionare nell'albero tramite il nome invece che dallo schermo.

La geometria solida
Ora è il momento di iniziare a creare un po' di geometria reale. Lo schizzo del primo pad (estrusione) è mostrato a destra. Esso è posizionato sul piano XY. Ci sono solo tre dimensioni: il raggio interno (22,5 mm), il sovrametallo alla base con un offset di 3 mm dal piano XZ e la distanza dal piano di riferimento che rappresenta l'asse del bullone di 7 mm. Ciò significa che, se in seguito si sposta il piano di Riferimento, il pad (l'estrusione) setta automaticamente il suo raggio esterno. Ricordare che prima di poter utilizzare il piano di riferimento per il dimensionamento, è necessario inserirlo nello schizzo come geometria esterna.

Probabilmente vi starete chiedendo perché vi è un piccolo segmento rettilineo in fondo a ciascun arco. Questo segmento garantisce che sarà possibile creare uno sformo con un angolo di 2 gradi sugli archi. Questo potrebbe sembrare un lavoro eccessivo per ottenere un vantaggio minimo, ma molti programmi CAD (e forse un giorno anche FreeCAD) dispongono di strumenti che evidenziono un modello solido in diversi colori e mostrano subito tutte le facce dove l'angolo di sformo non è corretto. Certamente non si vuole che al proprio modello accada questo, soprattutto dopo avervi aggiunto un sacco di raccordi!

Dopo aver fatto il disegno (che è un po' complicato a causa delle linee tangenziali per lo sformo di 2 gradi), basta estruderlo simmetricamente al piano dello schizzo con una lunghezza di 62 mm: 34 mm per il cuscinetto, 2x9 mm per gli anelli di tenuta, 2x5 mm per lo spessore della parete.

Ora si vuole asportare sull'esterno del materiale in corrispondenza degli anelli di tenuta in quanto il loro diametro esterno è molto inferiore a quello del cuscinetto. Il modo più semplice per creare i disegni necessari per questa operazione è quello di selezionare il disegno del pad e poi scegliere "Duplica selezione" dal menu "Modifica". Dopo è possibile rimappare il disegno su un lato del pad, e modificarlo come indicato in figura.

Le uniche due dimensioni importanti di questo disegno sono 3 mm di sovrametallo sul fondo e un diametro interno di 78 mm: 68 mm per il diametro esterno dell'anello di tenuta + 2x5 mm spessore. Poiché l'anello di tenuta sul lato opposto ha un diametro di 55 mm, qui l'asportazione può essere di 65 millimetri.

Dopo aver creato il disegno, creare uno scavo fino al piano di riferimento che rappresenta il lato del cuscinetto più 5 mm per lo spessore. Volendo modificare il supporto in modo che sia in grado di contenere cuscinetti più larghi basta cambiare i dati di questi piani di Riferimento e la profondità dello scavo si adatta di conseguenza.

Per ridurre il numero di lavorazioni richieste, vogliamo anche asportare del materiale all'interno del supporto. Anche in questo caso è conveniente duplicare lo schizzo del primo pad. Non ha neppure bisogno di essere rimappato. Anche in questo caso, le uniche dimensioni importanti sono il sovrametallo (3 mm) e il diametro esterno: 84 mm nel caso in cui il cuscinetto sia (90 mm - 2x sovrametallo), 49 mm per l'anello di tenuta più piccolo (55 mm - 2x3 mm) e 62 mm per l'anello di tenuta più grande.

Dopo aver creato gli schizzi, usarli per creare uno scavo: simmetricamente di 28 mm per creare lo spazio per il cuscinetto (34 mm - 2x sovrametallo) e di 23 mm su un solo lato per alloggiare gli anelli di tenuta: 34/2 mm per la metà della larghezza del cuscinetto + 9 mm per gli anelli di tenuta - 3 mm di sovrametallo.

La parte dovrebbe apparire come l'immagine a destra. Notare come i diversi scavi si combinano per produrre un spessore pressoché uniforme, che renderà il getto più facile e meno suscettibile ad avere dei pori.

Ora non rimane che creare il materiale attraverso cui far passare i bulloni. Si potrebbe essere tentati di delineare questo con un cerchio e poi di estruderlo, ma questo sarebbe causa di problemi quando in seguito si tentasse di basare lo sformo su di loro (suppongo che sia una debolezza di OpenCascade). Quindi, per aggirare i problemi, è meglio creare uno schizzo con l'angolo di sformo incluso e poi ruotarlo di 360 gradi.

Anche qui piani scheletro tornano utili. Servono il piano asse del bullone e il piano testa del bullone come geometrie esterne. Perciò, creare una linea retta per l'asse di rotazione e assicurarsi che sia vincolata al piano di riferimento asse del bullone. Commutarla in geometria di costruzione. Poi, definire il resto del contorno. Le dimensioni importanti sono il sovrametallo in alto e in basso e il raggio di 12 mm: 7mm per il raggio del foro + 5 mm di spessore.

Creare una funzione di rivoluzione dal disegno e poi rifletterla sul piano YZ. Questa è tutta la geometria solida che si deve modellare. Il resto sono sformi e raccordi.

Applicare uno sformo alla faccia laterale
Il passo successivo è quello di applicare gli sformi su tutte le facce. È importante considerare la posizione del piano neutro, cioè il piano intorno a cui la faccia è "ruotata". Se scegliamo come piano neutro il fondo del supporto avremo un problema con lo spessore della parete nella parte superiore del supporto. Quindi, creiamo un piano di riferimento con un offset di 40 mm dal piano XZ come compromesso tra la parte superiore del supporto che diventa più sottile e il fondo che diventa più spesso.

Per applicare uno sformo su una faccia, selezionare la faccia e creare la funzione di sformo. È anche possibile selezionare più facce su cui applicare lo sformo. Se si tratta una parte grande, è meglio applicare lo sformo solo su una faccia alla volta. Questo perchè se si modifica la geometria e uno sformo fallisce, fallisce solo questa funzione, mentre se si inseriscono tutte le facce in una unica funzione di sformo, può fallire l'intera funzione a causa del fallimento di una sola faccia. Per una parte piccola come è il supporto del cuscinetto, è sufficiente creare due funzioni di sformo: una per le quattro facce esterne, e una per le facce interne.

La finestra di dialogo costringe a scegliere un piano neutro prima di completare l'operazione. È possibile lasciare il campo della direzione di estrazione vuoto, in questo caso la direzione sarà normale al piano neutro. Non dimenticare di impostare l'angolo di sformo pari a 2 gradi.

Filleting the holder
We can now fillet the part. The picture shows the first set of fillets. Start with the small circular fillets and make them 4mm radius. Even though 3mm would be enough as per specification of the part, a radius of 4mm means that after machining 1mm of the fillet is left, reducing the sharp edge produced by the machining. The large fillets are 6mm radius to help spread the force from the bolts into the rest of the part. It would be nice to make this radius even larger, but unfortunately OpenCascade can't handle overlapping fillets yet.

As with drafts, in a complex part you should fillet only one edge at a time to avoid unnecessary failures if the base geometry changes.

The rest of the fillets are simply 3mm radius. Looking at the picture on the right, the two highlighted fillets could actually be filleted with 5mm to achieve a more uniform wall thickness for the casting. After machining, the minimum wall thickness of 5mm would still be maintained. But again the fact that OpenCascade can't handle overlapping fillets prevents us from doing this for the inner of the two highlighted fillets.

Filleting the inside of the part presents us with a difficulty that cannot be solved with the current tools in the PartDesign workbench. The highlighted edge cannot be filleted at all, again because the rounds would overlap. This could be worked around by creating a sweep instead of a fillet, except that sweeps are not implemented in PartDesign yet. For the time being, we are forced to leave the edge as it is.

The picture on the right shows the finished part in the state it will be before machining (except for the one edge that is impossible to fillet). You will notice that one edge that runs around the whole part has been left unfilleted on purpose. This is the edge where the bottom and the top of the mould meet. Here, no fillet is possible (and none is required anyway).

Machining
Now we can cut away the material that will be machined off the raw cast part. This is very easy with the skeleton geometry defined. The idea is to create all machining features (Pockets and Grooves) using datum features only. This means they will be totally independent of the solid geometry of the bearing holder, which gives us some big advantages:
 * No matter how you change the solid geometry, the features for the machining can never fail.
 * You can create the machining geometry before finalizing the solid, which gives you useful visual feedback.
 * If you move the skeleton datum planes, then both the solid geometry and the machining will adapt automatically.
 * If you make a mistake in your solid geometry, the machining will still be in the correct position, and very likely the mistake will become glaringly obvious (e.g. a wall thickness becoming 2mm instead of 5mm). Whereas if you reference the machining to the solid geometry, it will adapt to the error in the solid and e.g. maintain the 5mm wall thickness, just in the same wrong location as the solid is.

Before starting on the machining geometry, I like to place a datum point in the tree and name it something like "Machining_starts_here". This is useful if you want to switch between the raw and the machined state of the part because you can see at a glance where to move the insert point to get the raw state.

To machine the bottom of the holder, just sketch a large rectangle on the XZ plane and pocket it. For the top, sketch a circle on the datum plane defining the bolt head location, and then mirror the pocket on the YZ plane. In the same way, create a pocket for the hole which the bolt will go through and mirror it. To machine the inside of the holder, create a sketch on the YZ plane and groove it.

Once you have done the machining, you can have a nice visual effect by colouring all the machined faces so that you can see at one glance which parts are raw casting and which are machined after casting.

Final notes
We have modelled the bearing holder top with the dimensions it will have after casting. To create the casting mould, you need to apply shrinkage to your part because after casting, when the hot metal cools down, it will shrink by a few percent (depending on the material). Usually it is best to leave the application of shrinkage to the foundry making the part because they have the required special knowledge. They should also tell you if your part has problematic areas, e.g. very thick walls suddenly joining to very thin sections without a properly tapered section between them.